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慶大、332%の磁気キャパシタンス変化率の観測に成功

発表日:2021年07月13日

世界最大332%の磁気キャパシタンス変化率の観測に成功

-次世代超高感度磁気センサーとして期待-

慶應義塾大学大学院理工学研究科緒方健太郎(修士2年生)、中山雄介(修士2年生)、同大学理工学部海住英生准教授らは、ブラウン大学物理学科の■鋼教授と共同で、世界最大のトンネル磁気キャパシタンス(TMC)効果の観測とそのメカニズム解明に成功しました。TMC効果とは、磁場によりキャパシタンス(電気容量;電気が溜まる量)が変化する現象です。この現象は2つの磁性層の間に薄い絶縁層を挟んだ磁気トンネル接合において観測されます。磁気感度を示すキャパシタンス変化率はこれまで最大で155%でした。今回、「電圧」に注目することで、世界最大となる332%の変化率を達成しました。さらに、量子力学と統計論を取り入れた誘電体理論によりそのメカニズムを解明しました。この成果は、新たな電気容量検出型の高感度磁気センサー・磁気メモリー誕生への道を切り拓くものです。

本研究成果は7月12日(英国時間)に『Scientific Reports』(オンライン、ネイチャー・パブリッシング・グループ)に掲載されました。

*■印の文字の正式表記は添付の関連資料を参照

1.本研究のポイント

●電圧に注目することにより、世界最大トンネル磁気キャパシタンス比の観測に成功。

●量子力学と統計論を取り入れた誘電体理論によりメカニズムを解明。

●超高感度磁気センサーやメモリーに新たな道を拓く。

2.研究背景

電子の持つ「電荷(電気量)」と「スピン(電子の回転に相当するもの)」の2つの性質を利用するスピントロニクスは、次世代のエレクトロニクスとして期待され、近年大きな注目を集めています。中でも、2つの磁性層(磁気を帯びた層)の間に薄い絶縁層を挟んだ磁気トンネル接合は室温で大きなトンネル磁気キャパシタンス(TMC)効果を示すことから、世界中で盛んに研究が進められてきました。TMC効果とは、磁場によりキャパシタンス(電気容量;電気が溜まる量)が変化する現象です。このキャパシタンスの変化率はTMC比と呼ばれ、これまでの最大値は155%でした(参考文献付記)。

3.研究内容・成果

今回、研究グループは、155%を超える巨大なTMC比の観測を目指し、「電圧」に注目しました。磁気トンネル接合では、磁場により抵抗も変化します。この現象はトンネル磁気抵抗(TMR)効果と呼ばれ、以前よりよく知られていました。現在のパソコンに搭載されているハードディスクドライブ(HDD)の磁気ヘッドに用いられている技術です。この変化率(TMR比)が大きくなると、磁気記録面密度が大きく向上します。しかし、このTMR効果では、「電圧」を加えると、TMR比は下がります。一方で、TMC効果では、磁性層と絶縁層の界面に電子のスピンに由来するキャパシタンスが存在するため、電圧を加えることで、逆にTMC効果が大きくなるのではないかと考えました(図1)。

そこで、同グループは、高度なマグネトロンスパッタ技術(※1)を駆使して、2つの鉄コバルトホウ素磁性膜の間に薄い酸化マグネシウム絶縁膜を挟んだ、超高品質な磁気トンネル接合を作製しました。この接合を磁場中にセットし、キャパシタンスの振る舞いを調べました。その結果、電圧を加えるとTMC比が増大し、332%まで上昇することを初めて発見しました(図2)。これまでの最大値である155%を大きく超える結果です。さらに、実験のみならず、理論的な検討も行ったところ、誘電体理論(※2)に量子力学と統計論を取り入れた新たな計算手法により、実験結果をよく説明できることがわかりました(図3)。理論計算によると、スピン分極率がより大きい磁性材料を用いれば、TMC比は1000%を超えることもわかりました。

*以下は添付リリースを参照

リリース本文中の「関連資料」は、こちらのURLからご覧ください。

■印の文字の正式表記

https://release.nikkei.co.jp/attach/614518/01_202107131521.pdf

添付リリース

https://release.nikkei.co.jp/attach/614518/02_202107131521.pdf

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