強誘電体スピン制御に新原理、低消費電力エレクトロニクスの幕開け

近年、省電力化等を目的に、電流や電場による磁化の制御方法が模索されている。電気的な極性を持つ材料では電流からスピン流を生成するラシュバ・エデルシュタイン効果が注目され、半導体や金属の界面で主に研究されてきた。一方で、強誘電性（外部電場によって誘電分極の向きが反転する性質）と強磁性を併せ持つマルチフェロイクス材料も、同効果による磁化制御が可能だと考えられてきた。

強誘電体のラシュバ・エデルシュタイン効果では、それにより生成されるスピン流の向きも反転する。半導体・金属界面とは全く異なる性質は、スピントロニクス素子の新機能につながり得る。が従来、強誘電体やマルチフェロイクスでは同効果を用いた磁化制御の報告がなかったという。理研CEMSの強相関量子伝導研究チームと強相関界面研究グループ、東北大学金属材料研究所の共同研究グループは、マルチフェロイクス材料にて電流を流すことで磁化が反転する現象を観測した。

強誘電性を持つGeTe（ゲルマニウム・テルル半導体）に磁性元素のMn（マンガン）を添加してマルチフェロイクス材料「(Ge,Mn)Te」の単結晶薄膜を作製。この薄膜をフォトリソグラフィによって幅10μm、長さ30μmの半導体試料に加工した。そして、同試料に10K（約-263℃）下で多様なパルス電流と弱い外部磁場（0.02テスラ）を加えながら、ホール電圧の変化を測定した。

結果、パルス電流の向きが反転したところでホール抵抗値が小さくなり、磁化の向きが上向きから下向きに反転することを確認した。パルス電流の向きを再び反転させると、磁化の向きは元に戻った。即ち、ラシュバ・エデルシュタイン効果によって磁化が反転した。膜厚200nmの試料でも同様であったことから、界面や表面ではなく試料全体で同効果が発生していることは明白。

ラシュバ・エデルシュタイン効果は、理論的には試料内の正孔濃度に対してその効率が変化する――。そのため、正孔濃度の異なる試料を用いて実験したところ、正孔濃度の高さと磁化反転率の大きさはおよそ正比例だと分かった。この結果は物質設計の指針になり得る。特に、正孔濃度を広い範囲で変化させられる半導体では、濃度調整によりさらに高い磁化反転効率を実現できるだろうという。

電流により磁化を制御する手法の新原理を実証した。今後、電流で磁気情報を書き換える低消費電力のメモリデバイスなどへの応用が期待される。JSPS科学研究費補助金若手研究A、同新学術領域研究、JST戦略的創造研究推進事業（CREST）などによる支援を受けて行われた研究の成果は、米誌「Science Advances」に掲載された。