| 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 |
前年度に開発した、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を、結晶構造・磁性にまつわる情報を網羅した物質データベースに適用して、最適な物質のスクリーニングを行うことで、時間反転対称性の破れた反強磁性体の候補物質のカタログの構築・拡充を行った。
さらに、同カタログに基づいて、単純な↑↓型反平行スピン配列に起因して時間反転対称性が破れた反強磁性体FeSを発見し、自発ホール効果を介した[↑↓]/[↓↑]状態の読み出しに実験的に成功するとともに、この自発ホール効果が磁化ではなく反強磁性秩序由来の仮想磁場に起因した結晶ホール効果として理解できることを第一原理計算によって明らかにした。同成果を報告した原著論文を、Nature Materials誌に発表した。
この他にも、複数の時間反転対称性の破れた反強磁性体の新物質開拓・単結晶育成を行い、仮想磁場に起因した自発ホール効果の実験的観測に成功した。こうした物質では、トンネル磁気接合デバイスを作成することによって、トンネル磁気抵抗効果によっても情報の読み出しを行えることが期待され、その第一原理計算による定量的な見積もりを行うことにも成功した。
また、非共面な反強磁性秩序によって時間反転対称性が破れた反強磁性体CoNb3S6/CoTa3S6における熱電応答を詳細に調べることで、仮想磁場に起因した巨大なトポロジカルネルンスト効果を観測できることを実験的に明らかにした。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
1: 当初の計画以上に進展している
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（原著論文がNature Materials誌に掲載済）。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）。
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。さらに、ホール効果以外の手法による情報の読み書き手法の開拓にも取り組んでおり、今後の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 |
前年度に引き続き、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実施する予定である。また、ホール効果以外の手法による情報の読み書き手法の開拓にも取り組む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、磁気構造予測に第一原理計算を活用しているが、計算が非常に重いため、有効ハミルトニアンを効率的に求めるための一般的な手法を開発することで、より高速かつハイスループットな物質カタログの構築へとつなげていくことを目指したい。また、情報の読み書きの効率にまつわる様々な物性量（ホール伝導度、磁気光学スペクトル、トンネル磁気抵抗率など）の第一原理計算による定量評価の手法も平行して開発を行う。
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| 評価結果 |
中間評価
A: 順調に研究が進展しており、期待どおりの成果が見込まれる
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