従来の課題 熱伝導率は固体中で熱がどれだけ効率よく伝わるかを表す指標です。この熱の担い手(熱キャリア)は、金属では電子、半導体や絶縁体では格子振動の準粒子であるフォノンが主役とされています。現在の熱工学では、熱キャリアの輸送特性を解明・制御することで熱伝導率や界面の熱抵抗を制御する取り組みがあり、特にフォノンの輸送・散乱に着目した熱伝導制御はフォノンエンジニアリングと銘打たれて数十年にわたって盛んに研究されています。電子・フォノン以外の熱キャリアの寄与も存在しますが、ほとんどの物質ではその寄与は非常に小さく、観測できたとしても極低...

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 TMR素子は、磁性体の間にある極薄の絶縁層を電子が量子トンネル効果で通過することで動作します。この絶縁層には、現在主に酸化マグネシウム(MgO)が使用されています。MgOは、磁気状態による抵抗の変化率(TMR比)が高く、磁気状態の検出性能に優れている一方で、電子が通りにくい「バリア高さ」が高いため、トンネル電流が抑制され、素子全体の電気抵抗が大きくなるという課題がありました。このため、トンネル効果を維持しながらバリア高さを下げ、トンネル電流を増加させられる新たなバリア材料の開発が強く求められていました。 ...

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...

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...

従来の課題 炭素原子のπ結合から生じた自由に動き回る電子「π電子」について、そのスピンの特性を生かして有機分子をナノスピントロニクスへ展開する可能性が世界中で注目を集めています。ギャップ励起など、スピン同士の強い相互作用から物質全体で発現するさまざまな特性の存在は証明されてきました。しかし、分子ごとにスピンの状態を観察できる分子鎖の合成が困難であったため、単一のスピン同士がどのように相互作用をして物質全体の特性に影響しているのか、詳細な分析が困難でした。特に、スピン同士が相互作用して互いに反対方向を向く「スピン-1/2...

従来の課題 従来の熱アシスト磁気記録方式では、レーザーで媒体を加熱して情報を記録しますが、その熱エネルギーは媒体内で廃熱され、記録効率に寄与していませんでした。また、媒体を高温に加熱するプロセスは多くのエネルギーを消費し、繰り返し動作による磁気的・物理的な劣化や、媒体そのものの損傷が課題とされてきました。 成果のポイント 当研究グループは、レーザー照射時に記録媒体内に生じる温度差に着目し、鉄白金(FePt)記録層の下層にマンガン白金(MnPt)反強磁性層を挿入する新...

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...