従来の課題 二酸化ルテニウム(RuO2)は、「第三の磁性」である交代磁性を示す有力候補として注目されてきました。従来の強磁性体は外部磁場で容易に書き込める一方、漏れ磁場による記録エラーが高密度化の壁でした。反強磁性体は漏れ磁場などの外乱に強いものの、スピン(原子レベルのN極-S極)が打ち消し合うため電気的な読み出しが難しいという課題があります。そこで、外乱に強く、しかも電気的に読み取り—将来的には書き換えまで狙える—という“いいとこ取り”の磁性体が求められてきま...

従来の課題 ホイスラー合金は、3種類以上の元素で構成される規則構造や不規則構造を持ち、その組み合わせによって半導体や磁性体など多彩な特性を示すため、スピントロニクスや熱電変換デバイスといった幅広い分野への応用が期待されています。近年では、計算機シミュレーションや機械学習を使って優れた特性を持つ組成を探す研究が活発に進められています。ところが、これまでの理論研究は探索の範囲が限られていたうえに、結晶の安定性の評価が不十分でした。その結果、計算で有望とされた組成が、実際の合成では必ずしも安定せず実用化に至らない例も報告されています。こ...

従来の課題 異常ホール効果は、磁性体に電流を流すと、電流と磁化(N極-S極の向き)の両方に直交する方向に電圧が発生する現象です。この特性を利用すると、磁化の変化を電気信号として敏感に検出できるため、次世代ハードディスクドライブ用リードヘッドや高性能磁気センサなどへの応用が期待されています。特に、大きな異常ホール効果を示す新規材料として期待される3種類以上の元素を含む多元素磁性合金では、元素の種類と組成比の組み合わせが膨大で(いわゆる「組み合わせ爆発」)、さらに1試料の評価に時間がかかるため、この広大な探索空間はほとんど未開拓のまま...

従来の課題 AI向けデータセンターや電気自動車などの電力利用が急速に拡大する中、電力の高効率利用が重要な課題となっています。その要となるパワーエレクトロニクス技術では、電力を変換・供給するトランスやインダクタなどに使われる軟磁性材料の性能が効率化の鍵を握ります。軟磁性材料は、外部磁界に対してすばやく反応する磁化応答性に優れ、電力ロスを抑えられる金属材料ですが、パワーエレクトロニクス技術の高周波化に伴い、軟磁性材料で発生するエネルギーロスの増大が深刻な問題となっていました。 成果のポイント...

従来の課題 熱力学や電磁気学の開拓者の1人であるウィリアム・トムソンの名を冠するトムソン効果は、ゼーベック効果とペルチェ効果と並ぶ基本的な熱電効果の一つであり、金属や半導体に熱流と電流を同じ方向に流した際に吸熱または発熱が発生する現象です(図 a-c)。これらの現象は、熱流(または温度勾配)と電流が平行であるため“縦型”熱電効果と呼ばれます。一方、ネルンスト効果やエッチングスハウゼン効果と呼ばれる熱流と電流が直交した方向に変換される“横型”熱電効果が、シンプルな素子構造で動作する熱マ...

従来の課題 TMR効果は、磁性層/絶縁層/磁性層という薄膜素子において、左右の磁性層の磁化の向きが平行な場合と反平行な場合とで、素子の電気抵抗が異なる現象です。磁気センサーや磁気メモリなど応用範囲の拡大に向けて、電気抵抗の変化率(TMR比)のさらなる向上が求められています。NIMSは近年、TMR比の世界最高記録を更新し、「TMR比が絶縁層の膜厚に応じて振動する現象(TMR振動現象)」の解明がTMR比をさらに高めるための鍵であることを示しました。しかし、TMR振動現象は、過去に多くの研究がなされたにもかかわらず、その起源が20年以上...

超伝導とは、ある特定の温度以下で金属の電気抵抗がゼロになり、電気がスムーズに流れるようになる現象です。多くの超伝導体はおよそ−200℃以下という非常に低い温度でしかこの性質を示さないため、より高い温度で超伝導を示す物質が望まれる一方、超伝導の発現機構と超伝導転移温度を高める指針は解明されていません。電気の流れや振動を詳しく調べることで、これらの課題を解決する手がかりが得られる可能性があります。東北大学学際科学フロンティア研究所の鈴木博人助教らの研究グループは、量子科学技術研究開発機構(QST) NanoTerasu センター、...

従来の課題 従来の熱電モジュールでは、ゼーベック効果と呼ばれる熱流と同じ向きに電流が発生する“縦型”熱電効果が採用されており、材料性能指数zTが高い一方、熱流と電流の経路を分けるためにモジュール構造が複雑化してしまうという課題があります。そこで近年、モジュール構造を大幅に簡略化できるため、熱流と直交方向に電流が発生する“横型”熱電効果が注目を集めています。しかし、これまで知られていた横型熱電材料のzTは縦型熱電材料に比べて非常に低いという問題があり...

NIMS、東北大学と光科学イノベーションセンターからなる研究チームは、わずか1日の実験で、ハーフメタル性を有するCo-Mn-Siホイスラー合金のスピン分極状態が最も高い組成を同定することに成功しました。1つの基板上に組成を徐々に変化させた組成傾斜薄膜を作製し、高輝度放射光施設 NanoTerasuにおける強力な放射光源を用いた計測により実現した成果です。超高効率なハーフメタル材料の最適化が可能になることで、高性能スピンデバイス用の新材料開発が加速することが期待されます。ハーフメタル材料は、伝導電子の...