2025年 | プレスリリース・研究成果

【本学研究者情報】

〇金属材料研究所　教授　関剛斎
研究室ウェブサイト

【概要】

NIMSは東京大学、京都工芸繊維大学、東北大学と共同で、二酸化ルテニウム（RuO₂）薄膜が第三の磁性体である交代磁性を示すことを実証しました。「第三の磁性体」は、強磁性体を用いたメモリの問題点を解決し得るものであり、高速・高密度な次世代メモリ素子として応用が期待されています。本研究により、RuO₂がその有力候補であることに加え、結晶配向制御による機能向上の可能性も示されました。研究成果は2025年9月24日付で『Nature Communications』に掲載されました。

■従来の課題
　二酸化ルテニウム（RuO₂）は、「第三の磁性」である交代磁性⁽¹⁾を示す有力候補として注目されてきました。従来の強磁性体は外部磁場で容易に書き込める一方、漏れ磁場による記録エラーが高密度化の壁でした。反強磁性体は漏れ磁場などの外乱に強いものの、スピン（原子レベルのN極－S極）が打ち消し合うため電気的な読み出しが難しいという課題があります。そこで、外乱に強く、しかも電気的に読み取り--将来的には書き換えまで狙える--という"いいとこ取り"の磁性体が求められてきました。しかしRuO₂の交代磁性をめぐっては世界的に実験結果が一致しないことから本質解明が進まず、さらに均一な結晶配向をもつ薄膜試料が十分に得られていなかったため、決定的な実証に至っていませんでした。

■成果のポイント
　NIMS・東京大学・京都工芸繊維大学・東北大学の共同研究チームは、サファイア基板上に結晶の向きをそろえた単一配向（単一バリアント）RuO₂薄膜を作製し、基板選択と成長条件の最適化によって配向が決まる仕組みを明らかにしました。X線磁気線二色性で全体の磁化（N極－S極）が打ち消される磁気秩序とスピン配列の向きを特定し、さらにスピンの向きで電気抵抗が変わる現象（スピン分裂磁気抵抗）を観測して、スピン向きによる電子状態の違いを電気的に確認しました。これらの結果は第一原理計算とも整合し、総合してRuO₂薄膜が交代磁性体であることを実証しました［図1］。本成果は、RuO₂薄膜が高速・高密度な次世代メモリ材料として有望であることを強く裏付ける成果となりました。

【用語解説】

(1)交代磁性
スピンが結晶構造に応じて交互に配列し、全体としては磁化を打ち消し合う一方で、電子構造がスピンの向きによって分かれる特異な磁性（図２）。外部磁場がなくても自発磁化を示す強磁性や、隣接スピンが反平行に並び磁化が相殺される反強磁性に続く「第三の磁性体」として注目されており、微細化で問題となる漏洩磁場がなく、電流によって高速に情報を書き込めるため、省エネルギー型メモリへの応用が期待されている。

【論文情報】

題目：Evidence for single variant in altermagnetic RuO2(101) thin films
著者：Cong He, Zhenchao Wen*, Jun Okabayashi*, Yoshio Miura*, Tianyi Ma, Tadakatsu Ohkubo, Takeshi Seki, Hiroaki Sukegawa, and Seiji Mitani　*責任著者
雑誌：Nature Communications
DOI：10.1038/s41467-025-63344-y
掲載日：2025年9月24日

詳細（プレスリリース本文）

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