磁気スピンホール効果で制御されるフェリ磁性バイレイヤーの反強磁性ドメイン壁

外部磁場を寄せつけない磁性

現代の電子技術は電荷を移動させて情報を貯蔵・伝送する。スピントロニクスはさらに一歩進んで、電子の微小な磁気“スピン”を利用し、より高速で低発熱、より小型のデバイスを実現することを目指す。しかし、魅力的な磁気状態の多くは制御が難しいという大きな障害がある。本研究は、巧妙に設計した磁性材料と特殊なスピン流を用いて、そのような状態の一つである反強磁性秩序を制御する方法を示し、強磁場に左右されない堅牢なメモリ技術への道を開く。

反強磁性が魅力的である理由とその難しさ

通常の磁石では多くのスピンが同じ方向に揃い、外部磁場で容易に動かせる正味の磁場を生む。反強磁性体では隣接するスピンが逆向きになり、全体としての磁場が打ち消される。このため外部磁場にほとんど反応せず、互いに干渉しない高密度のメモリ素子に理想的だ。しかしその鈍感さが、操作や反転を非常に難しくする。そこで研究者たちは、二種類の磁性原子が逆向きに配列されながら完全には釣り合っていないフェリ磁性体に注目する。フェリ磁性体は反強磁性を模倣しつつも、場や電流に対して応答しやすいより扱いやすい代替となり得る。

隠れた磁気境界の構築

著者らはガドリニウム（Gd）とコバルト（Co）からなるフェリ磁性合金を用いる。ここではGdとCoの磁気モーメントが逆向きに向いている。異なる層でGdとCoの組成をわずかに変え、上層をGd優勢、下層をCo優勢に積層する。界面で原子が少し混ざるため、組成は滑らかに変化する。その遷移のちょうど中央では、GdとCoの部分的なモーメントは反対向きのまま残るが、正味の磁化がほぼ消える。この領域は自然に反強磁性的な性格を持つドメイン壁を形成し、二つの磁気状態を分けるカミソリのように薄い、外部場に強い境界として働く。

新しい種類のスピン流の利用

この隠れた境界を操作するために、研究チームは磁気スピンホール効果に注目する。これは電流がスピンの流れを生むというよく知られたスピンホール効果の親戚にあたる。通常のスピンホール効果ではスピンの向きは結晶により固定され、磁化に依存しないため、二層の寄与は界面で打ち消し合う傾向がある。これに対して磁気スピンホール効果ではスピン軌道結合が磁化と協調して働き、スピン流の向きがモーメントの向きに依存する。GdCoバイレイヤーでは伝導電子は主にCoのモーメントに追従する。二層のCoスピンが逆向きであるため、界面で生じるスピン流は打ち消されるのではなく合算され、面外方向を向く強いスピン流を生み出す。

見えない壁の観察と操縦

この面外向きスピン流は、界面のドメイン壁に局所的な磁気“押し”を与え、フィルムの一部の磁化をわずかに面外方向へ傾ける。全体の磁化はほぼゼロでも、この小さな傾きは異常ホール効果を通じて検出できる。異常ホール効果は面外磁気成分を追跡する電気信号だ。磁場や温度を掃引しながらホール抵抗を測定することで、研究者らは信号が確かに界面の壁に由来し、壁自体が反強磁性的で外部場に強い振る舞いをすることを確認した。重要なのは、電流の方向や大きさを変えるとホール信号が線形に変化し、磁気スピンホール効果が壁の内部構造を安定してねじり、微視的な“キラリティ”を反転させることさえ可能である点だ。

基礎物理学から将来のメモリへ

簡潔に言えば、この研究は外部磁場を無視する小さく堅牢な磁気境界を作りつつ、材料内部で生成されるスピン流には高感度に応答するという設計図を示している。フェリ磁性バイレイヤーを精密に設計し、磁気スピンホール効果を利用することで、著者らはアモルファス合金中の反強磁性に似たドメイン壁を電気的に制御することに成功した。この安定性と調整可能性の組み合わせは、情報をこうした壁の積層に格納し、かさばる磁場ではなく控えめな電流で移動・再配向できる3次元スピントロニクス型メモリの構成要素となり得る。

引用: Ko, S., Kim, H., Han, D. et al. Antiferromagnetic domain wall in ferrimagnetic bilayers controlled by magnetic spin Hall effect. npj Spintronics 4, 6 (2026). https://doi.org/10.1038/s44306-026-00126-2

キーワード: スピントロニクス, 反強磁性体, フェリ磁性体, スピンホール効果, 磁気メモリ