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物性・原理

マルチフェロイック物質において室温近傍での電場による磁化制御に成功 ~低消費電力の電圧制御磁気メモリの実現に道筋~

 国立研究開発法人理化学研究所(理研)は2019年3月19日,理研創発物性科学研究センター強相関物質研究グループのヴィルモシュ・コーチス特別研究員,田口康二郎グループディレクター,強相関物性研究グループの十倉好紀グループディレクターらの国際共同研究グループが,マルチフェロイック物質である六方晶鉄酸化物において,室温近傍で電場による磁化制御に成功した,と発表した.本研究の一部は,日米中性子散乱協力プログラムの支援を受け,成果は英国科学誌Nature Communi-cationsで公開された(注).

 マルチフェロイック物質は,自発磁化と自発電気分極を併せ持つため,磁場による電気分極制御や,電場による磁化制御などの交差制御が可能である.中でも,電場による磁化制御は,低消費電力の磁気メモリデバイスへの応用が期待される.

 マルチフェロイック物質には,電気分極と自発磁化が異なる要因によって生じるタイプIと,電気分極が磁気秩序によって誘起されるタイプIIとがあり,これまで両方のタイプに属する物質群に対して電場による磁化反転が試みられてきた.しかし,タイプIでは電気分極と自発磁化の結合が弱く,タイプIIではマルチフェロイック相の安定性や試料の絶縁性の問題から,電場による磁化反転が100K(-173℃)以下の極低温でしか実現できなかった.

 これに対し,本研究グループは,バリウム(Ba),ストロンチウム(Sr),コバルト(Co),鉄(Fe),アルミニウム(Al),酸素(O)からなる六方晶鉄酸化物Ba0.8Sr1.2Co2Fe11.1Al0.9O22のタイプIIマルチフェロイック単結晶試料を合成し,10気圧の酸素雰囲気中でアニールして,絶縁性を大幅に改善するとともに,室温よりも高温の450K(177℃)までマルチフェロイック相を安定化することに成功した.この六方晶鉄酸化物単結晶の磁気相を,米国オークリッジ国立研究所における中性子散乱実験で調べたところ,450Kまでマルチフェロイック相に自発電気分極を持たない競合相が存在するが,磁場を印加すると競合相は消滅して,マルチフェロイック相が準安定状態として存在し,この温度以上で常磁性相に変わることが分かった.また,電気分極は印加磁場に対して,磁化は印加電場に対して履歴特性を示して変化し,マルチフェロイック特性の電場・磁場交差制御を確認した.さらに,室温近傍の270K(-3℃)で磁気力顕微鏡を用いて磁気ドメインを可視化して観察することにより,ドメイン構造の詳細を明らかにし,電場によって磁壁が移動し,磁化の変化が生じていることを確かめた.

 今後は,マルチフェロイック相のみが安定に存在して競合する磁気相は共存せず,分極と磁化の結合がより高温まで保たれるような物質組成を見出し,さらなる高い温度において電場による磁化制御の実現を図るとともに,マルチフェロイック物質を用いた電圧制御磁気メモリの研究開発が盛んになることを期待している.

(注)V. Kocsis, T. Nakajima, M. Matsuda, A. Kikkawa, Y. Kaneko, J. Takashima, K. Kakurai, T. Arima, F. Kagawa, Y. Tokunaga, Y. Tokura, and Y. Taguchi, "Magnetization-polarization cross-control near room temperature in hexaferrite single crystals", Nature Communications, Vol. 10, Article number: 1247 (2019), doi: 10.1038/s41467-019-09205-x; Published: 18 March 2019