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磁場を使わずに磁石の極性を電場だけで反転することに成功 -省電力メモリデバイスの実現への新しいアプローチ-

本研究成果のポイント
 ○強磁性体の元素置換により電気分極と磁化の強い結びつきを実現
 ○急速な電場変化を加えることで磁気極性を反転
 ○電場で磁気情報の書き換え可能な省電力デバイス実現へ一歩


 理化学研究所(野依良治理事長)と東京大学(濱田純一総長)は、酸化物磁石の極性(N極、S極)を電場だけで反転させることに世界で初めて成功しました。これは、理研基幹研究所(玉尾皓平所長)交差相関物性科学研究グループ交差相関物質研究チームの徳永祐介基幹研究所研究員、田口康二郎チームリーダー、十倉好紀グループディレクター(東京大学大学院工学系研究科教授)と、東京大学大学院新領域創成科学研究科の有馬孝尚教授の研究グループによる成果です。
 強磁性体(磁石)と強誘電体※1はエレクトロニクス材料として広く応用され、近年、この両方の性質を併せ持つマルチフェロイック物質※2が、低消費電力のメモリデバイス候補として注目されています。通常、磁気記録の書き込み(N極とS極を反転させる)には、電流の周りに発生する磁場を利用しますが、消費電力が大きく磁場の発生する空間を小さくしにくいことから異なる方式が研究されています。電気を流さない絶縁体の磁石に電場だけを加えてN極とS極が反転できれば、消費電力は格段に小さくなり、また、記録部位の微細化にも向いています。しかし、これまで、絶縁体の磁極を電場だけで反転させることに成功した例はありませんでした。
 研究グループは、希土類元素(レア・アース)であるジスプロシウム(Dy)、テルビウム(Tb)と鉄(Fe)からなる絶縁体酸化物磁石「ジスプロシウム・テルビウムフェライト(Dy0.70Tb0.30FeO3)」を作製し、この物質が-270.5℃以下ではマルチフェロイック物質であること、また電場を加えて電気分極を反転させると1,000分の1秒以下で結晶全体の磁極が反転することを確かめました。外部から磁場をかけない状態で、電場だけで結晶全体の磁極を反転させたのは世界で初めてです。
 本成果は、電場により磁化を自在に制御できるマルチフェロイック物質の開発に向け重要な設計指針を与えます。今後、電場で磁気情報を書き換えることが可能な低消費電力のメモリデバイスなどへの応用が期待できます。
 本研究成果は、最先端研究開発支援プログラム(FIRST)課題名「強相関量子科学」(中心研究者:十倉好紀)の事業の一環として得られた成果で、科学雑誌『Nature Physics』オンライン版(8月19日付け:日本時間8月20日)に掲載されます。

 

※1 強誘電体
外部から電場を印加しない状態でも結晶内部に正と負の電荷の分布にずれ(電気分極)を持ち、その方向が外部電場により反転可能な性質を持つ物質。

※2 マルチフェロイック物質
強磁性体と強誘電体の性質を併せ持つ物質。A3B7O13X(A=Cu, Ni, Co, X=Cl, Br, I)、 CoCr2O4, Mn2GeO4などの物質が知られている。広義には強磁性でなくとも、らせん磁性や反強磁性を伴う強誘電体(たとえばTbMnO3, BiFeO3など)なども含まれる。