大型放射光施設 SPring-8

公開日

2017年04月13日

2017年4月13日
東京大学
東北大学
高輝度光科学研究センター

発表のポイント：
• 非磁性体である銅薄膜において、薄膜の面に垂直な方向に揃う新しい磁石の性質を有する構造を開発しました。
• 銅がコバルトおよび白金と接することにより、銅には面に垂直な磁化が誘起することを、放射光を用いた磁気分光法（X線磁気円二色性）による元素別スペクトルの計測と計算から明らかにしました。
• スピントロニクス素子の設計では銅を電極として用いる場合が多く、本結果は銅に磁石の性質が滲みだすことから、これを考慮した素子設計において重要な指針を与えるものと期待されます。

発表内容：
　強磁性体と非磁性体を交互に堆積した構造（磁気接合）は、磁気メモリーなどの記録素子やハードディスク内の磁気センサーとして広く用いられています。特に、薄膜の面に垂直方向に磁化の向きを揃えて磁気記録を行う技術は、高記録密度を達成するために重要です。これらの素子の最適化を進めることは、スピントロニクスの研究分野におけるデバイス開発では最も重要なことの一つです。強磁性体と非磁性体が接合した界面にて磁化が垂直方向に誘起されるメカニズムについて、今まで明確ではありませんでした。これまでに、非磁性体であるCuにおいて、膜面に平行な方向への磁化の誘起については研究が進んできましたが、薄膜の面に垂直な方向の磁化観測とその設計に関する知見は得られていませんでした。
　研究チームは、垂直磁化を示すCo/Pt界面に膜厚の異なるCuを人工的に挿入し、各元素の磁気特性を調べることに着目しました。Co/Pt界面は、Coの磁石としての性質、Ptの重い元素としての性質が合わさって垂直磁化を示します。磁石は本来、膜に平行方向に磁化が揃うことでエネルギーが低くなり安定します。しかし、膜に垂直方向に揃う方が安定するCo/Pt界面のような特殊な物質も存在します。この界面に非磁性体Cuを原子層レベルで挿入すると、3原子層の厚さまではCuにも垂直方向に磁化が誘起されることが判りました。非磁性体に誘起される微弱な磁気シグナルについて、放射光を用いることによって初めて捉えることができました。Cuの膜厚をさらに増やすと、CoとPtの間の相互作用がなくなり、近接効果^（注3）が及ばないことも明らかにしました。また、近接効果によりCuに磁石としての性質が発現することは、第一原理計算によっても再現されました（図1）。これらにより、原子層レベルで人工的に設計した構造において、磁気特性を操作できることを実証しました。
　本研究は、磁気記録やスピントロニクスの研究にて広く用いられているCuを用いた材料設計、素子設計を行う上で、極めて重要な指針を与えるものです。垂直磁化を用いた高記録密度を可能にする素子設計、近接効果がもたらす界面での誘起磁性に関する研究の進展が期待されます。今後、Cu膜厚に依存した垂直磁化の大きさと向きを操作できれば、人工的に原子層レベルにて構造を設計することができ、今までにない新しい磁石の性質の操作に関する研究が拓けるものと期待されます。

用語解説
注1 放射光
電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する、指向性が高く強力な電磁波のこと。遠赤外から可視光線、軟X線を経て硬X線に至る幅広い波長域で放射光を得ることができるため、原子核の研究からナノテクノロジー、バイオテクノロジー、産業利用や科学捜査まで幅広い研究が行われている。タンパク質の結晶構造解析の分野でも大きな成果をあげている。

注2 X線磁気円二色性（XMCD：X-ray Magnetic Circular Dichroism）
放射光から出る左右円偏光により元素の内殻から遷移する吸収スペクトルを測定する。左右円偏光による各元素の吸収強度の違いがXMCDである。これにより、元素別の磁気状態について知ることができる。

注3 近接効果
異なる物質が合わさった界面では、各物質の性質がもう一方へしみ出すことがある。これを界面での近接効果といい、特異な物性を発現させる舞台となりうる。