1. 背景
　スピン波と呼ばれる磁石が作る波を利用した電子回路は、小型で低消費電力な情報処理システムを作り出す技術として期待されています。その実現のために重要なスピン波の性質の一つとして非相反性（伝搬方向に依存して異なる性質を持つこと）が挙げられます。非相反性が十分に大きければスピン波の整流動作が可能となることから、スピン波を利用した論理演算素子などの開発に必要不可欠な要素です。しかしながら、従来の報告されていたスピン波の非相反性は、界面効果に起因していたために薄い磁石でしか効果が無く、また非相反性の切り替えには外部磁場の反転が必要でした。

　

2. 研究手法・成果
　本研究では、磁性材料として鉄コバルトボロン合金（Fe₆₀Co₂₀B₂₀）を用い、非常に薄いルテニウム（Ru）非磁性層を介して、それぞれの磁極が逆方向に結合した人工反強磁性体を用いました（図1(a)）。この人工反強磁性体の薄膜の上に、スピン波の励起および検出を行うための2本のアンテナを作製し（図1(b)）、アンテナ間を伝搬するスピン波を測定しました。
　図1(c)に、外部磁場とスピン波の伝搬方向が平行な時に測定したスピン波の伝送波強度の周波数依存性を示します。スピン波の伝搬方向に依存してピーク位置が明らかにシフトしており、スピン波が異なる共鳴周波数を持つこと（非相反性）を観測することに成功しました。このような非相反性は、従来、非対称構造を有する磁性体における界面効果（ここでは界面ジャロシンスキー・守谷相互作用のことを指す）に起因するものが報告されていましたが、磁性層が厚くなるにつれて非相反性が小さくなるというデメリットがありました。本研究で観測された非相反性は、人工反強磁性体の二つの磁石から生じる双極子磁場との相互作用に由来しているため、磁性層が厚いほうがより非相反性が大きくなります（図1(d)）。今回実験を行った磁性層の膜厚15ナノメートルに着目すると、非相反性による共鳴周波数の差は従来報告されているものに比べて28倍程度大きく、さらに磁性層を大きくすることで増大する事が可能です。

 

図１. (a) 人工反強磁性体の概念図。 (b) 本研究で作製したスピン波デバイスの光学顕微鏡図。 (c) スピン波伝送強度の周波数依存性。黒線はアンテナ②からアンテナ①、赤線はアンテナ①からアンテナ②への伝送波。 (d) 共鳴周波数差の磁性層膜厚依存性。黒線は従来型である界面効果（界面ジャロシンスキー・守谷相互作用）による非相反性、青線は本研究である人工反強磁性体で得られる非相反性の理論値。星印が今回の実験で得られた値。

　

　従来型の界面効果に起因した非相反性は、外部磁場を反転させることで非相反性を切り替えることができます。一方、本研究では人工反強磁性体における非相反性は二つの磁極の配置に依存していることに着目し、電流パルスによって発生する局所的な磁場で磁極の方向を制御できるのではないかと考えました。図2は電流パルスを印加後に測定したスピン波の伝送信号を表しており、電流パルスの流れる方向に依存して非相反性が切り替わっていることがわかります。つまり、人工反強磁性体中の磁極の向きを電流によって制御する事で、外部磁場を反転させることなく、スピン波の非相反性を制御できることを今回初めて実証しました。

　

図2. 人工反強磁性体に電流パルスを印加後のスピン波伝送強度の周波数依存性。

　

3. 波及効果、今後の予定
　本研究では、人工反強磁性体中を伝搬するスピン波の巨大な非相反性を制御することに成功しました。図1(d)に示すように、非相反性は磁性層の厚さを増やすことでさらに大きくなることが期待できます。本研究成果は、スピン波の可変ダイオード素子などの開発にもつながり、スピン波を利用した論理演算素子などへの応用研究を大きく発展させると考えられます。

　

4. 研究プロジェクトについて
　本研究の一部は、科研研究費補助金「特別推進研究」、「若手研究（A）」、「挑戦的研究(萌芽)」、「新学術領域研究：ナノスピン変換科学」、「京都大学リサーチ・ディベロップメントプログラム【いしずえ】」、「京都大学化学研究所共同利用・共同研究拠点研究」の助成を受けて行われました。