「力」で単一原子磁石の情報を読み書きすることに成功――電流を使わない超低発熱・究極の超高密度メモリへの道をひらく――
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東京大学
科学技術振興機構（JST）
発表のポイント
◆磁気交換力顕微鏡（MExFM）を用いて、酸化マグネシウム薄膜上の単一ホルミウム（Ho）原子（単一原子磁石）のスピン（磁気の向き）を、電流を流さずに力学的に読み出すことに成功しました。
◆探針をホルミウム原子に近づけてひずみを生じさせることで、吸着サイトの対称性を制御し、スピンの向きを反転（書き込み）させる新たな原理を実証しました。
◆本成果は、ジュール熱による発熱やエネルギー損失が極めて少ない、究極の次世代超高密度磁気記録デバイスの実現に向けた重要な一歩になると期待されます。 
探針との「力」によって単一原子磁石のスピン状態を操作・検出するイメージ図
概要
東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻の安達有輝特任研究員、上田和樹大学院生、安井勇気助教、杉本宜昭教授らの研究グループは、磁気交換力顕微鏡（MExFM、注1）を用いて、酸化マグネシウム薄膜上に吸着した単一のホルミウム（Ho）原子（単一原子磁石、注2）のスピン（磁気の向き）を、電流を流さずに直接読み出し、書き込むことに成功しました。従来の磁気記録デバイス（ハードディスクなど）では、情報の読み書きに電流を流す必要があり、ジュール熱（注3）によるエネルギー損失が高集積化の大きな障壁となっていました。
本研究グループは、電流の代わりに探針と原子の間に働く量子力学的な力である磁気交換力（注4）を利用してスピン状態を検出し、さらに探針を極限まで接近させて原子にひずみを加えることで、スピンを反転させました。
本成果は、ジュール熱を伴わない磁気記録という新たな動作原理を提示するものであり、将来の省エネルギーかつ超高密度な単一原子メモリデバイスの実現に向けた重要な一歩になると期待されます。
発表内容
【研究の背景】
現代の高度情報化社会を支えるハードディスクドライブなどの磁気記録媒体は、ナノメートルサイズの磁石（磁気ビット）の磁気の向き（スピン）によってデジタル情報を記録しています。現状のシステムでは、情報の読み出しに磁気抵抗効果（注5）、書き込みに電流駆動の磁場やスピントルク（注6）などを用いており、いずれも電流を流すことに依存しています。しかし、記録容量を増やすために素子を微細化し集積度を上げるほど、電流が流れることにより発生するジュール熱が増大し、エネルギー損失や誤動作の要因となっています。このため、さらなる高密度化に向けて、電流を流さない（発熱が抑えられる）磁気記録システムが強く求められてきました。
【研究の内容と成果】
本研究グループは、電流や電磁場とは異なり、局所的に作用を及ぼせる「力」に着目し、ミクロな量子世界における磁性の力学制御の原理検証を目指してきました。磁気交換力顕微鏡（MExFM）を開発し、極低温（4.5 K、約マイナス269℃）かつ超高真空環境下において、単一Ho原子の磁気情報の力学的読み書きに挑みました。実験では、先端にコバルト原子を付着させた特殊な磁性探針を使用し、Ho原子との間に働く微弱な磁気交換力を、精密に検出しました。
まず、情報の「読み出し」においては、Ho原子の2つのスピン状態（上向き：Ho↑、下向き：Ho↓）の間で、探針が受ける磁気交換力の大きさが異なることを利用し（図1a）、電流を流さずにスピンの向きを明確に識別・画像化することに成功しました。測定時のスピン状態は非侵襲的（原子の状態を壊さない方法）に読み出され、218秒以上にわたって安定して状態を保持できることが実証されました。
次に、情報の「書き込み」においては、探針をHo原子に極限的に接近させることで、スピンの向きを反転させることに成功しました(図1b)。詳細な解析により、この反転は「ひずみ誘起状態混合」の機構によるものであることを突き止めました。これは、探針が極限まで近づくことで生じる力学的なひずみによって、Ho原子の吸着サイトの結晶場対称性（注7）が低下し、量子状態の混ざり合いが誘起されることで反転が起きるという機構です。これにより、原子の周辺環境を力学的に変調してスピンを制御するという、新しい書き込み原理が実証されました。
図1 単一ホルミウム原子磁石の力学的読み出しと書き込み
(a) MExFMによって測定された、上向き（Ho↑）および下向き（Ho↓）スピン状態における磁気交換力のカーブ。赤のカーブがHo↑で青のカーブがHo↓に対応する。(b) 探針をHo原子に接近させた際の磁気交換力のリアルタイム変化。探針を極限まで近づけた一定の距離において、スピン反転が起きていることを示す。（原論文の図を改変したものを使用しています。）
【今後の展望】
本成果は、電流を必要としない、低発熱・超高密度な単一原子メモリデバイスの実現に向けた重要な一歩となります。また、本研究で実証された「力によってスピンを操作する」というアプローチは、従来の電気的なスピントロニクスに対し、「ナノメカノスピントロニクス」という新たな学術領域を切り拓くものです。今後は、この革新的な力学的制御手法をより広範な材料系へと応用し、省エネルギー社会の実現に資する次世代革新デバイスの基盤技術としての発展が期待されます。また、電流を流さずに力によってスピンの量子状態を非侵襲的に読み出すことにより、量子コンピュータの性能を向上させるといった量子技術の分野への貢献も期待されます。
研究助成
本研究は、科学技術振興機構（JST）創発的研究支援事業（課題番号：JPMJFR203J、研究課題名：「原子間力顕微鏡を用いたナノ磁性の力学制御」、研究代表者：杉本宜昭）、日本学術振興会（JSPS）科学研究費助成事業（課題番号：JP26K01386、JP26H01330、JP25K22215、JP25K17946、JP25K17933、JP24H01175、JP23K13656）、旭硝子財団、村田学術振興財団、精密測定技術振興財団、岩谷直治記念財団、日本板硝子材料工学助成会の支援により実施されました。
発表者・共同研究グループ情報
東京大学大学院新領域創成科学研究科
安達有輝 特任研究員
上田和樹 修士課程
安井勇気 助教
杉本宜昭 教授
論文情報
雑誌名：Nature Communications
題 名：Force-Based Reading and Writing of Individual Single-Atom Magnets
著者名：Yuuki Adachi, Kazuki Ueda, Yuuki Yasui, and Yoshiaki Sugimoto*
DOI: 10.1038/s41467-026-74922-z
URL: https://doi.org/10.1038/s41467-026-74922-z
用語解説
（注1）磁気交換力顕微鏡（MExFM）：
探針と試料表面の原子との間に働く「磁気交換力」を検出し、原子レベルで磁気情報を画像化する走査型プローブ顕微鏡の一種。通常の磁気力顕微鏡（MFM）が磁気双極子相互作用という比較的長距離に働く力を用いるのに対し、MExFMは電子の波動関数の重なりに起因する磁気交換力を利用する。
（注2）単一原子磁石：
基板表面に吸着した個々の単一原子でありながら、周囲の結晶場などの影響（磁気異方性）により、マクロな磁石のように固有の磁気の向き（スピン）を安定して保持できるシステム。極限の超高密度メモリ（1原子＝1ビット）の候補として注目されている。
（注3）ジュール熱：
導体に電流を流した際に、電気抵抗によって発生する熱のこと。デバイスを微細化・高集積化するほど、このジュール熱による発熱が深刻なエネルギー損失や誤動作の原因となる。
（注4）磁気交換力：
同じ方向のスピンを持つ電子が同じ量子状態を占めることができないという、電子の統計性（量子力学的な効果）に起源をもつ力。強磁性体などでスピンの方向をそろえる駆動力であり、通常の磁石の間に働く磁気双極子相互作用よりもはるかに強い。
（注5）磁気抵抗効果：
外部から磁場を加えることによって、物質の電気抵抗値が変化する現象のこと。ハードディスクの読み取りヘッドや磁気センサー、次世代メモリ（MRAM）等に広く応用されている。
（注6）スピントルク：
電流が持つ電子のスピンの角運動量を磁性体に伝えることで生まれる、磁化を動かす回転力（トルク）のこと。外部から磁場をかけなくても、電流を流すだけで磁性体の磁気の向きを直接反転させることができる。次世代メモリ（MRAM）のデータ書き込み技術等に応用されている。
（注7）結晶場対称性：
周囲の原子が作る静電場（結晶場）が持つ空間的な対称性のこと。これが高いと、特定の磁気の向きの間での直接的な量子遷移が抑制され、磁気状態が長寿命で安定に保たれる。
