【本学研究者情報】

〇金属材料研究所　教授　　塚﨑敦
　　　　　　　　准教授　藤原宏平
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 地球上に豊富に存在する鉄（Fe）とシリコン（Si）から成る化合物FeSiにおいて、フッ化物絶縁体を接合することによって室温下での電流による磁化反転操作を実現しました。
• 結晶内部の電子状態のトポロジーに由来したFeSiの表面の伝導状態・磁気状態を、接合する非磁性絶縁体によって大きく制御できることを発見しました。
• 磁化反転操作に必要な電流値は他の物質と比較しても小さく、貴金属資源の制約や環境負荷を抑えつつ省電力な次世代磁気メモリへの応用が期待されます。

【概要】

電子のもつ電気的な性質（電荷）と磁気的な性質（スピン、注1）を同時に利用することによって磁石の状態を電気的に操作する技術は、現代のエレクトロニクスを大きく発展させる要素として注目されています。その中で、スピン状態を電気的に効率よく操作できる物質の探索がこれまで盛んに行われてきましたが、既存の候補物質は重元素の含有を必要とし、材料の観点からは希少性や毒性といった点で課題がありました。地球上に豊富に存在する鉄（Fe）とシリコン（Si）から成る化合物FeSiは、重元素を含有しないにもかかわらず、その表面において電流誘起磁化反転（電流で磁化の向きを反転すること）をはじめとしたスピントロニクス機能（注1）を有することが近年発見されましたが、その機能は120ケルビン以下という低い温度でしか実現できていませんでした。

東京大学大学院工学系研究科の堀智洋大学院生、金澤直也講師、平山元昭特任准教授、理化学研究所創発物性科学研究センターの十倉好紀センター長らを中心とする研究グループは、東北大学金属材料研究所の塚﨑敦教授、藤原宏平准教授らの研究グループと共同で、FeSiが有するトポロジカル表面状態（注2）が、各種絶縁体を接合することで大きく変調されることを発見し、特にフッ化物絶縁体を接合することにより室温における電流誘起磁化反転を実現しました。

今回の発見によってトポロジカル物性（注2）やスピントロニクス機能を、ありふれた元素の化合物でも室温下で実現可能であることが明らかにされました。資源の制約や環境負荷を抑えつつ、電子デバイスの省電力化や高機能化を大きく進展させる次世代MRAM（注3）への応用が期待されます。

【用語解説】

（注1）スピン、スピン軌道相互作用、スピントロニクス
電子の自転運動に由来した角運動量をスピンといい、自転軸の方向に対して向きをもつ。物質中の電子の集団が同じスピンの向きを示すと磁石の性質を示す。電子の運動量とスピンの間に働く力をスピン軌道相互作用と呼び、一般に重い原子ほど大きな効果として現れる。スピンを用いた電子技術をスピントロニクスと呼び、スピン軌道相互作用を利用した技術開発が研究されている。

（注2）トポロジー、トポロジカル表面状態、トポロジカル物性
トポロジーは位相幾何学と呼ばれる数学の一つであり、連続的な変形に対して形が移り変われるかによって物体の形状を分類する。物質内部の電子状態が特別なトポロジーで表される構造をもつと、その構造を反映した特徴的な状態が表面に現れ、物質内部とは異なる性質を示す。ここでは、そのような表面状態と性質をそれぞれトポロジカル表面状態とトポロジカル物性と呼ぶ。

（注3）MRAM、磁気メモリ
MARM（磁気ランダムアクセスメモリ）は、磁化（磁石）の向きを情報のビットとする磁気記録素子の一種で、パソコンやスマートフォンなどのデバイスでのメインメモリとして用いられる。磁化の向きを外部からエネルギーを加えることなく保存できるため、情報の維持に電力を必要としない不揮発性メモリの一種である。MRAMには、磁化を電流による誘導磁場で制御する方式や一定方向のスピンのみをもつ電流を注入して角運動量を受け渡すことで磁化を制御するスピン注入方式などが現在用いられているが、より小型・省電力・高性能な次世代メモリの研究・開発が盛んに行われている。

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学金属材料研究所　
准教授　藤原 宏平
電話　022-215-2088
E-mail　kohei.fujiwara*tohoku.ac.jp
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（報道に関すること）
東北大学金属材料研究所　
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電話　022-215-2144
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