【分野】磁気物理

【タイトル】磁気異方性における四極子の役割を解明:マンガン合金の磁気デバイス応用への鍵
【出典】
J. Okabayashi et al., Detecting quadrupole: a hidden source of magnetic anisotropy for Manganese alloys, Sci. Rep. 10, 9744 (2020), DOI: 10.1038/s41598-020-66432-9
・https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/info/6901/

【概要】
東京大学の岡林らは、マンガン(Mn)とガリウム(Ga)から成る合金の薄膜における膜に垂直方向に磁化が揃うメカニズムについて、放射光を用いたX線磁気円二色性(XMCD)、磁気線二色性(XMLD)と第一原理計算により明らかにした。特に、マンガン原子内の電子軌道の形を明確にし、マンガン合金の場合は鉄やコバルトやニッケルなどの身近な磁性体とは異なる起源であることを実証した。さらに、マンガン原子が隣接間にて反対向きに揃うため、これまで困難だった膜に垂直方向の磁化の検出について、放射光の直線偏光の向きと試料の測定配置を工夫することにより、これらの物質系においても磁気分光計測ができるようになった。得られた結果は、新規磁性体の開発や磁性に関する基礎物理学の微視的な理解を進展させるのみでなく、スピンを操作して低消費電力にて動作するスピントロニクス素子の設計においても重要な役割を果たすことが期待される。

【本文】
電子のスピン自由度を活用した技術はスピントロニクスでは、ハードディスクや低電力不揮発性磁気抵抗ランダムアクセスメモリを始めとして広く実用化され、現在も人工知能技術への応用などさらなる進展を目指して盛んに研究が行われている。スピントロニクスの主役となるのは強磁性体であるが、近年では、原子の磁気モーメントが反対向きに交互に並んだ反強磁性体やフェリ磁性体も注目され、漏れ磁場をほぼゼロにでき、高集積化と高速動作を可能にすることから研究が進んでいる。このような物質系として着目されているものの一つがフェリ磁性体のマンガン(Mn)ガリウム(Ga)合金であり、マンガンの磁気モーメントが反平行に並び、極めて大きな垂直磁気異方性を有しているため、スピントロニクス応用が検討されている。しかし、この物質がなぜこのような性質を有するかは今まで明確ではなかった。
研究チームは、磁気モーメントが反平行に並んで打ち消しあっているマンガンガリウム合金が織りなす磁性について、マンガンとガリウムの組成比の異なる試料のX線磁気分光スペクトルの解析を行うことにより、2種類のサイトの情報をそれぞれ分離して調べることに成功した。放射光円偏光を用いた磁気円二色性は強磁性体の研究にはよく用いられるが、反強磁性体やフェリ磁性体ではシグナルが消失してしまう。今回、直線偏光を用いた磁気線二色性も用いて、膜垂直方向の電子軌道の分布を調べることに成功した。磁気異方性が生じる起源は、従来は磁性原子の軌道角運動量の効果として知られているが、マンガンガリウム合金では、従来とは異なり、軌道角運動量の効果ではなく、電子軌道の異方性により面直方向に伸びた四極子が形成されることが本質的であることが判った。これは、従来の磁化測定手法では計測できず、放射光を用いた元素別なX線磁気分光により初めて捉えることができたもので、打ち消し合う磁化の中に隠れた四極子状態とも言えるものである。本研究の成果により今後、四極子に由来する磁気異方性の研究の進展が期待でき、今後のスピントロニクスデバイス設計に向けた電子状態の理解に指針を与えるものとなる。
(東京大学 岡林潤)