AI時代を支える新磁性体、二酸化ルテニウム薄膜の「交代磁性」を実証

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した。しかしRuO₂の交代磁性をめぐっては世界的に実験結果が一致しないことから本質解明が進まず、さらに均一な結晶配向をもつ薄膜試料が十分に得られていなかったため、決定的な実証に至っていませんでした。

NIMS・東京大学・京都工芸繊維大学・東北大学の共同研究チームは、サファイア基板上に結晶の向きをそろえた単一配向(単一バリアント)RuO₂薄膜を作製し、基板選択と成長条件の最適化によって配向が決まる仕組みを明らかにしました。X線磁気線二色性で全体の磁化(N極-S極)が打ち消される磁気秩序とスピン配列の向きを特定し、さらにスピンの向きで電気抵抗が変わる現象(スピン分裂磁気抵抗)を観測して、スピン向きによる電子状態の違いを電気的に確認しました。これらの結果は第一原理計算とも整合し、総合してRuO₂薄膜が交代磁性体であることを実証しました[図]。本成果は、RuO₂薄膜が高速・高密度な次世代メモリ材料として有望であることを強く裏付ける成果となりました。

今後、この成果を基盤として、RuO₂薄膜を利用した高速・高密度の次世代磁気メモリの実現を目指します。交代磁性の高速・高密度という特長を活かすことで、省エネルギー型情報処理への貢献が期待されます。また、本研究で確立した放射光を用いた磁性解析技術は、他の交代磁性材料の探索やスピントロニクス素子の開発にも応用可能です。

• 本研究は、NIMS 磁性・スピントロニクス材料研究センター スピントロニクスグループの温 振超 (ウェン ジェンチャオ) 主任研究員、Cong He (ツォン ハ) ポスドク研究員 (研究当時) 、介川 裕章 グループリーダー、三谷 誠司 上席研究員、磁性・スピントロニクス材料研究センターの大久保 忠勝 副センター長、東京大学大学院理学系研究科の岡林 潤 准教授、京都工芸繊維大学 三浦 良雄 教授、および東北大学 関 剛斎 教授らで構成される研究チームによって実施されました。
• 本研究は、日本学術振興会科学研究費助成事業(22H04966、24H00408)、文部科学省次世代X-nics半導体創生拠点形成事業(JPJ011438)、東北大学金属材料研究所のGIMRTプログラム、東北大学電気通信研究所の共同研究プロジェクトの支援を受けています。
• 本研究成果は、2025年9月24日に国際科学誌『Nature Communications』のオンライン版に掲載されました。