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デバイス・応用

光を用いた超高速・低エネルギーでの薄膜磁石の制御手法を開発

 東北大学は2020年10月16日,同大学電気通信研究所の五十嵐 純太博士課程学生,深見 俊輔教授,大野 英男教授(現,総長),学際科学フロンティア研究所の飯浜 賢志助教がロレーヌ大学(フランス)との共同研究により,光と磁石と電子スピンの相互作用に関する詳細な理解に基づいて,30フェムト秒(1fs = 10-15s)のレーザーパルスで磁石の極性を反転できる新手法を開発したと発表した.本研究は東北大学とロレーヌ大学の間で締結された大学間学術交流協定他の支援を受けて実施され,原著論文は欧州の科学誌Advanced Science のオンライン速報版に掲載された(注).

 人類が生成する情報量は,年々指数関数的に増加している.現在の情報ストレージ技術では,磁石材料で構成される磁気記録媒体における磁化の方向でデジタル情報が記録されており,その反転には磁界が用いられている.しかしこの方式では,今後の省エネルギー化や大容量化に向けた課題が顕在化している.その解決策として,電子の持つ電気的性質と磁気的性質(スピン)の同時利用に立脚する"スピントロニクス"技術の活用が期待されている.

 東北大学とロレーヌ大学の研究者からなる共同研究チームは,デジタル情報の記録手法への応用が可能な,光を用いた強磁性体の磁化の新しい制御手法を開発した.試料はフェリ磁性体であるGdFeCo(5nm厚),非磁性体であるCu(10nm),および強磁性体であるCo/Ptからなる積層構造で構成される.フェリ磁性体は磁気モーメントの大きさが異なる2種類以上の磁性発現元素から構成され,それらが互いに逆方向に向くことで全体として小さな磁化を持つ物質で,GdFeCo合金(Gdx(FeCo)1-x)ではGdとFeCoの磁気モーメントが逆方向を向くことが知られている.ここにレーザーパルスを照射し,フェリ磁性層と強磁性層の磁化がどのように変化するかを,磁気光学効果を用いた顕微鏡で観察した.本研究チームでは同様な実験を以前から行っており,Gd0.23(FeCo)0.77フェリ磁性体の磁化方向の反転とそれに伴う強磁性層の磁化方向の反転が観測されていた.

 本研究チームは,系統的な実験をもとにこの現象のメカニズムを解明し,フェリ磁性体の反転の際に生成されるスピン流が非磁性層を伝播して強磁性層に到達し,スピン流が持つ角運動量が強磁性層の磁化反転を誘起していることを突き止めた.この理解に基づきエネルギー効率を向上できるようにGd濃度を増やしたGd0.33(FeCo)0.67アモルファス合金を用いて,フェリ磁性体を反転させずに強磁性層の極性を反転させる新しい方式を開発した.本方式では,レーザーパルスが照射されるとフェリ磁性体が消磁され,スピン流が生成され,スピン流は非磁性体中を伝播し強磁性体へと到達し,その磁化を反転する.実験では30fsの単一レーザーパルス(波長800nm)を用い,従来方法よりも低エネルギー(0.23μJ)で強磁性層の磁化を反転できることを示した.実験は室温で行われ,磁化反転したドメイン直径は20μmであった.

 今回開発した手法はハードディスクドライブの記録媒体へのデジタル情報の記録方法として利用でき,情報ストレージ技術の省エネ化へと繋がるものと期待している.

(注)Quentin Remy, Junta Igarashi, Satoshi Iihama, Greégory Malinowski, Michel Hehn, Jon Gorchon, Julius Hohlfeld, Shunsuke Fukami, Hideo Ohno, and Steéphane Mangin, "Energy Efficient Control of Ultrafast Spin Polarized Current to Induce Single Femtosecond Pulse Switching of a Ferromagnet", Advanced Science, Early View, DOI: 10.1002/advs.202001996; First published: 15 October 2020