反強磁性体を用いたTMR効果の実現

X. Chen, T. Higo, K. Tanaka, T. Nomoto, H. Tsai, H. Idzuchi, M. Shiga, S. Sakamoto, R. Ando, H. Kosaki, T. Matsuo, D. Nishio-Hamane, R. Arita, S. Miwa, S. Nakatsuji, Nature 613, 490 (2023)

Phys.org​やEurekAlert!、UTokyo FOCUSでも取り上げられました。

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　上に挙げたようなFe, Co, CoFeBやその他強磁性Heusler合金など、TMR効果の研究は強磁性金属を用いて展開されてきました。ここで私たちは、強磁性金属を反強磁性金属で置き換えてTMR効果を実現することはできるだろうか？ということを考えました。この、反強磁性体を用いたTMR効果を扱うことそれ自体が、新たな基礎物性の開拓と捉えることができます。実際、スピンと電荷という電子の二つの自由度を扱うスピントロニクスはこれまで主に強磁性体を舞台に発展してきましたが、近年は反強磁性体にもその舞台を広げ、いまは反強磁性スピントロニクスとして、決して強磁性体を反強磁性体に単純に置き換えただけではない、新たな学理を確立しつつあります。

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　また、TMR効果において反強磁性体を用いることは、MRAMなどへの応用という観点においてもメリットがあります。ここでは大きく分けて以下の二つの点を紹介します。一つは反強磁性体の漏れ磁場の少なさです。強磁性体はマクロに磁化を有することから、その強磁性体が作り出す磁場が磁性体外に漏れ出てしまいます。この漏れ出た磁場が隣接する素子と干渉し、性能低下を引き起こしてしまう虞があるため、デバイス化の際に磁性体を高密度に集積することが難しくなってしまいます。一方反強磁性体は、マクロには磁化が消失しているため、強磁性体では存在していた漏れ磁場が少なく（理想的にはゼロに）なります。したがって、反強磁性体を用いれば高密度に集積したデバイスを作製することができると期待されます。もう一つは、反強磁性体の高速動作性です。強磁性体の磁気共鳴周波数はおおよそ異方性磁界に比例し、多くはGHz程度の共鳴周波数、時間に直すとナノ秒程度での動作性能を持ちます。その一方で、反強磁性体の磁気共鳴周波数はおおよそ異方性磁界と交換結合（磁気モーメント間の相互作用）の積によって決まります。交換結合は一般に異方性磁場よりも大きいエネルギースケールであることから、共鳴周波数を大きく引き上げ、結果として共鳴周波数はTHz帯、すなわちピコ秒での動作も視野に入るようになります。

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　しかし、強磁性TMR効果が二つの磁性金属層の持つ磁気モーメントが平行・反平行な状態間で生じていたことを思い起こすと、TMR効果を生むにはマクロなスピン偏極が重要であるように思われます。すなわちナイーブな予想としては、マクロに磁化が補償している反強磁性体を用いてTMR効果を実現することは困難であるように思われます。そのような中私たちは、反強磁性体Mn3Snに着目しました。私たちのグループは、Mn3Snは異常Hall効果[6]や異常Nernst効果[7]など、反強磁性体でありながら強磁性体と同様の応答を示すことを観測してきました。Mn3Snは室温で(anti)chiralな磁気秩序状態をとりますが、この磁気秩序状態は、Mn3Snの単位胞中の六つのMnの磁気モーメントにより作られる、クラスター磁気八極子モーメントの強的秩序状態としても捉えられることが知られています[8]。このクラスター磁気八極子モーメントは、対称操作に対し、強磁性体の秩序変数である磁気双極子モーメントと同じ振る舞いをすることから、その強的秩序状態を持つMn3Snは強磁性体と同様の応答が示すことが期待されます（実際、Suzuki論文[8]では異常Hall効果をクラスター磁気八極子の観点から理解することができることが提案されています）。このような背景から、Mn3Snを用いれば反強磁性体でも強磁性体と同様にTMR効果が生じるのではないか、と予想されます。すなわち、磁気モーメントが平行・反平行な状態間で電気抵抗に差が生じる強磁性TMR効果と同様に、クラスター磁気八極子モーメントが平行・反平行な状態間で電気抵抗に差が生じる、反強磁性TMR効果を実現することができるのではないかと期待されます(*)。

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　そこで私たちは、Mn3Snを用いたMTJである、Mn3Sn/MgO/Mn3Sn接合系の作製を行いました。そしてこの系に対し室温で磁場を掃引してクラスター磁気八極子モーメントの向きを制御しながら電気抵抗測定を行い、クラスター磁気八極子モーメントの向きが平行・反平行の状態間でトンネル抵抗に差が生じること、すなわち、反強磁性TMR効果を観測することに成功しました（下図）[9]。

　反強磁性TMR効果の研究、とくに実験研究は始まったばかりではありますが、同時期に反強磁性体Mn3Ptを用いたTMR効果の観測が別のグループによって行われるなど[10]、世界的にも注目が集まっている話題です。反強磁性TMR効果の研究は、私たちの研究を契機に今後ますます広がっていくものと期待されます。

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　(*) もう少し詳細に述べると、時間反転操作を行うと磁気モーメントが一斉に反転するので、強磁性体では明らかに反転前のもとの状態とは重なり合わない、時間反転対称性が破れた状態が実現しています。一方多くの反強磁性体では、時間反転操作後に空間対称操作（並進・空間反転）を行うことによってもとの状態と重なる、広義の時間反転対称性が保たれた磁気秩序状態が実現しています。このような反強磁性体においては、先の"ナイーブな予想"は当てはまり、TMR効果は現れません。ただ、Mn3Snをはじめとした特定の磁気構造を持つ反強磁性体では、時間反転操作を行うとどのような空間対称操作をもってしてももとの状態と重ならない、マクロに時間反転対称性が破れた磁気秩序状態が実現しており、この点で強磁性体と共通しています。このような種類の反強磁性体においては強磁性体と同様の応答が現れてよいことが近年提案されており、TMR効果も現れてよいと考えられます[11]。先に述べたクラスター磁気八極子モーメント、あるいはクラスター磁気多極子モーメントは、こういった、マクロに時間反転対称性が破れた反強磁性体の磁気構造の有効な記述法となっています。