| 研究課題/領域番号 |
21H04990
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| 研究種目 |
基盤研究(S)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
大区分B
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
関 真一郎 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (70598599)
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| 研究分担者 |
有田 亮太郎 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (80332592)
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| 研究期間 (年度) |
2021-07-05 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2025年度)
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| 配分額 *注記 |
187,980千円 (直接経費: 144,600千円、間接経費: 43,380千円)
2025年度: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)
2024年度: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)
2023年度: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)
2022年度: 101,010千円 (直接経費: 77,700千円、間接経費: 23,310千円)
2021年度: 34,710千円 (直接経費: 26,700千円、間接経費: 8,010千円)
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| キーワード | スピントロニクス / 反強磁性体 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
現在の磁気記憶素子で用いられている、スピンが平行に整列した強磁性体では、時間反転対称性の破れに起因して、磁気情報の保持・読み出し・書き込みが可能となっている。一方、スピンが反平行に整列した反強磁性体の場合、通常は時間反転対称性が保たれており、強磁性体と同様のアプローチによる情報処理は不可能である。しかし最近の理論研究によると、特殊な結晶構造を利用すれば、実は単純な反平行スピン構造であっても時間反転対称性を破れることがわかっている。本研究では、後者に該当する物質群を集中的に開拓することで、強磁性体が従来担ってきた様々な物質機能を、時間反転対称性の破れた反強磁性体で代替することを目指す。
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| 研究実績の概要 |
対称性に基づいて磁気構造を分類するための枠組みである磁気点群・スピン点群を利用することで、時間反転対称性の破れ・仮想磁場の発現が許される反強磁性体を設計するための条件を網羅した「地図」を完成させた。さらに第一原理計算に基づいて、磁気構造が未知の物質に対する安定なスピン配列の一般的な予測手法の開発を行い、前述の「地図」を併用することで、室温動作可能な時間反転対称性の破れた反強磁性体の候補物質リストを機械的に抽出することに成功した。
このようにして抽出した単純な↑↓型の反平行スピン配列を持つ室温反強磁性体の実験的な合成・測定を行い、明らかに磁化に比例しない、大きな自発ホール効果（結晶ホール効果）を観測することに成功した。この物質では、磁性イオンの周りに、非磁性イオンが互い違いに存在しているために、[↑↓]/[↓↑]の２つの状態が並進操作によって一致しなくなっており、このために時間反転対称性が破れて、仮想磁場に起因した自発ホール効果が生じていると理解できる。上記の結果は、従来は不可能だと考えられてきた、反強磁性体における[↑↓]/[↓↑]状態の電気的な読み出しを初めて実証したもので、画期的な成果であると考えられる。
また、非共面な反強磁性秩序によって時間反転対称性の破れ・巨大な仮想磁場を実現できることを報告した原著論文がNature Physics誌に掲載されており、時間反転対称性の破れた反強磁性体の学理の一般化・体系化に向けて、さらなる進展が期待できる状況にある。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究では、これまで未開拓だった時間反転対称性の破れた反強磁性体の新物質開拓を行うとともに、その内部で生じる仮想磁場を利用することによって、反強磁性体における磁気情報の読み出し・書き込み手法を開拓することを主な目的としている。当初計画における最大の目的の１つであった、「↑↓」「↓↑」の区別が可能な、時間反転対称性の破れた反強磁性物質の開拓については、既に室温動作可能な新物質の発見に成功しており、実際に室温における[↑↓]/[↓↑]状態の電気的な読み出しの実証に成功している。これに加えて、研究対象を単純な↑↓型の反強磁性体から、より複雑なスピン配列を持つ反強磁性体へと広げることで、非共面な反強磁性スピン配列が巨大な仮想磁場を生み出すことを実証し、反強磁性体における仮想磁場の巨大化に向けた一般的な指針を見出すことにも成功している（原著論文がNature Physics誌に掲載済）。
これら新物質は、今後さらに多彩な磁気情報の読み出し・書き込み手法を開拓していくための、典型的な物質プラットフォームとなることが期待され、現時点における成果としては、十分に当初の目標を達成できていると考えられる。
また、対称性による解析と第一原理計算を併用した、巨大な仮想磁場の発現が期待される時間反転対称性の破れた反強磁性体の網羅的な物質カタログ・データベースの構築が、理論面からも順調に進行しつつある。今後の時間反転対称性の破れた反強磁性体の学理の一般化・体系化に向けて、さらなる進展が期待できる状況にある。
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| 今後の研究の推進方策 |
室温動作・巨大応答といった望ましい物性を実現できるような、新しい時間反転対称性の破れた反強磁性体の候補物質の実験的な開拓を、引き続き実施する予定である。特に、新たに導入した真空対応のレーザー浮遊帯域溶融炉を利用することによって、従来は純良単結晶の育成が困難だった分解溶融の物質群や酸化を嫌う合金系などを物質開拓のターゲットにできることが期待され、こうした装置群を最大限に活用することで、さらなる有望な候補物質の単結晶育成・物性検証を試みたい。また、現時点で達成できている電気的な手法による磁気情報（時間反転ドメイン）の読み出しに加えて、書き込みの実証にも展開していくことを計画している。
また、理論面からは、対称性による解析と第一原理計算を併用した、巨大な仮想磁場の発現が期待される時間反転対称性の破れた反強磁性体の物質カタログの構築を引き続き進める予定である。現時点では、主に磁気構造予測に第一原理計算を活用しているが、電子構造や仮想磁場にまつわる各種の物性量（ホール伝導度・スピン伝導度・磁気光学スペクトルなど）の定量予測に関しても第一原理計算を活用することで、有望な候補物質のさらなる絞り込みや、背景の物理に対する理解の深化を目指したい。
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| 評価記号 |
中間評価所見 (区分)
A: 研究領域の設定目的に照らして、期待どおりの進展が認められる
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