JP2014078560A - 絶縁材料およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スキルミオンを駆動する電力消費を大幅に低減することができる絶縁材料を提供する。
【解決手段】スキルミオンが誘起された絶縁材料を提供する。絶縁材料は、例えば、Ｃｕ_２ＯＳｅＯ_３の単結晶である。スキルミオン１０には電気分極が誘起されるため、電場を印加することによって、所望の位置に制御できることが期待できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、スキルミオンが誘起された絶縁材料およびその製造方法に関する。

電子を制御するために「スピン」を積極的に活用する電子技術は、「スピントロニクス」と呼ばれ、革新的な特徴・機能を持つデバイスを実現するための切り札として研究、開発が進められている。現在実用化されているスピントロニクス素子では、電流によって金属強磁性体の磁壁（上向きスピンがそろった領域と下向きスピンがそろった領域の境界面）を動かすことで、磁化の向きを制御している（例えば、非特許文献１参照）。

しかし、強磁性体の磁壁を電流により駆動する場合、消費する電流は極めて大きく、消費電力も大きい。現在実用化されている素子では、１０^１２Ａ／ｍ^２の電流密度を必要とし、また、研究開発が進められている強磁性半導体素子においても、１０^９Ａ／ｍ^２の電流密度を必要とすることが知られている。

一方、最近一部の特殊な金属の中で、電子のスピンが自発的に「スキルミオン」と呼ばれる渦巻き構造をつくることが発見されている。図６は、スキルミオンの電子スピンの配列を模式的に示す図であり、図中の各矢印は電子スピンの方向を示している。スキルミオンは、らせん型のスピン配列をとるらせん磁性体に、所定の温度条件下で磁場を印加することにより、蜂の巣状の格子（スキルミオン結晶）を組むように形成される。スキルミオン１０１の半径は数ナノ〜数十ナノメートルと非常に小さく、安定した粒子としての性質を持つことから、将来的に演算素子、磁気記憶素子としての利用が期待されている。

しかし、スキルミオンは、従来Ｂ２０構造という特殊な構造を持った合金（電気を良く流す金属）のみでしか観察されてこなかったうえ、限られた温度範囲のみでしか現れなかった。このため、本分野では、スキルミオンを生成させる新物質の開拓や、スキルミオンの制御手法の確立が大きな研究課題となっている。本発明者らは、スキルミオンの渦状のスピン構造を、ローレンツ顕微鏡を用いることにより世界で初めて直接観察することに成功するなどの先駆的な研究を行っている（例えば非特許文献２参照）。この成果により、スキルミオンの直接的な観測が可能になり、従来難しかったさまざまな新材料によるスキルミオンの研究が進みつつある。

Parkin, et all., Magnetic Domain-Wall Racetrack Memory, Science, 320, 190 (11 April 2008), doi:10.1126/science.1145799 NanotechJapan Bulletin Vol.4, No,4, 2011年7月27日，"極低温ローレンツ電顕法を用いた、渦巻状スピン「スキルミオン」の生成とその可視化"， 科学技術振興機構ERATO 十倉マルチフェロイクスプロジェクト， 東京大学大学院工学系研究科， 独立行政法人理化学研究所 基幹研究所，于 秀珍，小野瀬佳文，金澤直也，永長直人，十倉好紀，独立行政法人物質・材料研究機構 外部連携部門（元・超高圧電顕共用ステーション長） 松井良夫

従来知られている合金材料中のスキルミオンでは少量の電流で駆動することができると期待される。一方、スキルミオンを絶縁体中に生成することができれば、これを電界により制御することが可能になる。その結果、電流を流す必要が無くなるので、スキルミオンを駆動するための消費電力を格段に低減することが可能になる。しかし、従来スキルミオン結晶は金属中でしか観察されたことが無かった。

したがって、かかる点に着目してなされた本発明の目的は、スキルミオンを駆動する電力消費を大幅に低減することができる絶縁材料を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明はスキルミオンが誘起された絶縁材料であることを特徴とするものである。本発明者らの観測によって、絶縁材料中でスキルミオンに電気分極が誘起されるということが確認された。この電気分極を有するスキルミオンに対して、電場勾配を印加することによって、所望の方向に駆動させることが期待できる。なお、スキルミオンの誘起は、磁場を印加することにより行われることが好ましい。

絶縁材料は、キラルな結晶構造であることが好ましい。中心対称性を持たないキラルな結晶構造を有する絶縁材料は、所定の温度以下において磁場を印加しない状態（ゼロ磁場）で、らせん状の電子スピン構造を有する。このらせん状のスピンに、弱磁場を印加することによって、スキルミオン結晶が生成される。

また、好適には、絶縁材料は、Ｃｕ_２ＯＳｅＯ_３から形成される。Ｃｕ_２ＯＳｅＯ_３は、単結晶であるとさらに好ましいが、単結晶に限定されない。Ｃｕ_２ＯＳｅＯ_３は、本発明者らの研究により、所定の温度および磁場の条件下においてスキルミオン結晶が生成されることが確認された。スキルミオンが生成される絶縁体としては、世界ではじめて確認されたものである。

さらに、絶縁材料は、厚さ１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲の薄片として形成されることが好ましい。厚さ１００ｎｍ以下の薄片の絶縁材料では、絶縁材料の厚さが磁気らせん構造のらせん周期と同程度またはそれ以下なので、絶縁材料は二次元の材料となり、スキルミオンが安定した状態を保ち易い。このため、磁気相図で表した場合に、スキルミオン相がより広い温度−磁場面（領域）に存在する。また、絶縁材料の厚さが１ｎｍ未満となると、結晶の欠陥が発生し易いので、厚さは１ｎｍ以上が好ましい。

また、上記発明を達成するスキルミオンが誘起された絶縁材料の製造方法は、キラルな結晶構造を有する絶縁材料に、その形状に応じた所定の温度範囲において所定の強度範囲の磁場を印加し、スキルミオンを生成することを特徴とするものである。これによって、電気分極状態が誘起されたスキルミオンを含む絶縁材料を製造することができる。

本発明のスキルミオンを有する領域を備える絶縁材料は、当該絶縁材料中のスキルミオンに電気分極が誘起される。このため、このスキルミオンを電界のみで制御することができる。これによって、電力消費を大幅に低減した演算素子や磁気記憶素子への応用が期待される。

絶縁材料内で形成される分極したスキルミオンを説明する模式図である。 絶縁材料の磁場の強度に対する特性変化を示す図であり、図２（ａ）は磁化の磁場に対する変化を、図２（ｂ）は交流帯磁率の磁場に対する変化を、図２（ｃ）は、電気分極の磁場に対する変化を、それぞれ示している。 バルクの絶縁材料の電・磁気特性測定により得られた絶縁材料の磁気相図である。 薄片状の絶縁材料のローレンツ電子顕微鏡法により得られた磁気相図である。 ローレンツ顕微鏡を用いて薄片状の絶縁材料内のスキルミオン結晶を観察した画像である。 スキルミオンの電子スピン配列を説明する模式図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、絶縁材料内で形成される分極したスキルミオンを説明する模式図である。本発明の絶縁材料は、中心対称性を有さないキラルな結晶構造（右手と左手のように、鏡写しにした像を互いに重ねることのできない構造）を有する。このような結晶構造を有する材料は、低温下で磁場が印加されないゼロ磁場の状態において、らせん磁気構造を有する。この絶縁材料に、その絶縁材料の種類および形状（特に、厚さ）に応じて、所定の温度以下において所定の強度範囲の磁場を印加すると、スキルミオン１０が周期的に整列したスキルミオン結晶を含む領域が生成される。

図１においては、スキルミオン１０の電子スピンの方向を矢印により示している。電子スピンは、同心円状の渦を巻いた構造を形成し、外側においては磁場を印加した方向に沿って揃い、内側に位置するにつれて周方向を経て向きを変え、中心部では外側と反対の方向を向く。また、絶縁体中のスキルミオン１０は、金属中のスキルミオンとは異なり、その渦の上下方向に正負の電荷１１，１２を誘起する。なお、図１ではスキルミオンの電気分極Ｐの方向を右側の矢印で示している。

このため、スキルミオン１０は、絶縁体に印加される電界によって制御することが可能になる。絶縁体中の電場は、金属中の電流と異なり、ジュール熱（電流の二乗に比例した発熱）によるエネルギー損失を生じない。このため、スキルミオンを例えば情報担体（０と１の状態の運び手）として電場で駆動する場合には、極めて僅かな消費電力しか消費しないと考えられる。従って、本発明の絶縁材料は、超低消費電力の演算素子や磁気メモリ素子に適用し得るものと期待される。

中心対称性を有さないキラルな結晶構造を有する絶縁材料として、縦、横および厚さがそれぞれ２ｍｍ、２ｍｍおよび０．５ｍｍのＣｕ_２ＯＳｅＯ_３の単結晶試料（バルクの絶縁材料）を使用した。Ｃｕ_２ＯＳｅＯ_３の結晶系は立方晶系で、Ｐ２_１３の空間群に属している。このＣｕ_２ＯＳｅＯ_３の単結晶試料は、気相輸送法により作製された。この絶縁材料は、６０Ｋ以下でらせん型のスピン配列をとる。このことは、薄片にした試料を、ローレンツ顕微鏡を用いて観察することにより確認された。絶縁材料におけるスキルミオンの発見は世界初である。さらに、本発明者らは、発生したスキルミオンが正の電気分極を有することを発見した。このようなスピン構造と電気分極との結合は珍しい現象であるが、スキルミオンの有する低い対称性が電荷の空間的な偏りを促した結果であると説明できる。

この単結晶試料の温度を５７Ｋとして、ミラー指数［１１１］で表される方向に弱磁場（−１０００Ｏｅ〜１０００Ｏｅ）を印加した。図２（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ絶縁材料に印加する磁場の強度に対する磁化（Ｍ）、交流帯磁率、および、電気分極（Ｐ）の変化を示す図である。ここで、電気分極（Ｐ）は電位計を用いて測定し、交流帯磁率と磁化（Ｍ）とは、超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を用いて測定を行った。

図２（ａ）からわかるように、磁化は印加される磁場の大きさの絶対値が小さい場合は、その大きさにほぼ比例するが、磁場が約−６００Ｏｅおよび６００Ｏｅにおいて飽和し、磁場の大きさの絶対値が６００Ｏｅ以上ではほぼ一定値となる。また、図２（ｂ）に示す交流帯磁率を示す曲線も同じ強度の±６００Ｏｅの磁場で、屈曲を示す。さらに、交流帯磁率を示す曲線は、磁場の大きさが０の周辺と、磁場の大きさの絶対値が１８０Ｏｅ〜４００Ｏｅの範囲において、凹みを有している。このことから、絶縁材料は、磁場が−１００Ｏｅ〜１００Ｏｅの場合には、マルチ伝播ベクトルを持つらせん構造（ｈ’）を有し、さらに印加磁場を増加させると、磁場の絶対値が１８０Ｏｅ〜４００Ｏｅの領域にスキルミオン相（ｓ）が形成されると判断される。さらに、印加磁場を大きくするとシングル伝播ベクトルを持つらせん構造（ｈ）となり、印加磁場の大きさの絶対値が６００Ｏｅを越えると、フェリ磁気構造（ｆ）となる。

この絶縁材料は、図２（ｃ）に示すように、磁場を印加しない状態では電気分極は見られないが、弱磁場を印加してマルチ伝播ベクトルを持つらせん構造（ｈ’）を示すときは、負の電気分極を生じる。さらにスキルミオン相（ｓ）が形成されると、電気分極が正に変わる。この分極の変化を利用して、勾配電場を印加することによりスキルミオンを駆動することが可能になる。なお、図２（ｃ）の二重線はヒステリシスによるものである。

次に、図３に電・磁気特性測定により得られたバルクの絶縁材料の磁気相図を示す。スキルミオン相は、温度５６Ｋ〜５８Ｋ、磁場１８０Ｏｅ〜４００Ｏｅの温度−磁場面上に存在している。なお、図３においてらせん磁性のシングルｑ領域、マルチｑ領域のそれぞれの相は、シングル伝播ベクトルを持つらせん構造（ｈ）およびマルチ伝播ベクトルを有するらせん構造（ｈ’）に対応している。

スキルミオン結晶が生成される温度および磁場の条件は、絶縁材料の形状、特に、厚さに依存する。図４は、薄片状のＣｕ_２ＯＳｅＯ_３単結晶材料について、この絶縁材料の面に垂直な方向であって、ミラー指数［１１１］で表される方向に弱磁場を印加して、ローレンツ電子顕微鏡法によりスキルミオンを直接観察することにより作成した磁気相図である。この絶縁材料は、気相輸送法により作製された単結晶のＣｕ_２ＯＳｅＯ_３を機械研磨後、アルゴンイオンビームによって楔形の薄片に加工したものである。この薄片の厚さは、最も薄い部分で１０ｎｍ、最も厚い部分で１００ｎｍであり、測定は厚さ約５０ｎｍの部分で行った。

図４中に示される破線で囲まれたスキルミオン相の領域は、スキルミオンが観測された領域である。また、図５は、スキルミオンの密度が高い領域で、ローレンツ顕微鏡を用いてスキルミオン結晶を観察した画像である。５０ｎｍ程度の大きさのスキルミオンが、蜂の巣状に格子を組むように整列している。図４に示されたスキルミオン相は、図３に示した０．５ｍｍの厚さを有する材料を用いた場合と比較して、広い温度範囲（５Ｋ〜５０Ｋ）および磁場範囲（４５０Ｏｅ〜１８００Ｏｅ）の領域中に存在する。

このような、スキルミオン相が形成される温度および磁場範囲の拡大は、本発明者らが実測により世界ではじめて確認したものである。このようなスキルミオン相の拡大は、絶縁材料が二次元試料の場合に生じると考えられる。二次元試料とは、試料の厚さが、試料のらせん磁気構造の周期よりも小さいものとして定義される。Ｃｕ_２ＯＳｅＯ_３の単結晶の場合、ゼロ磁場におけるらせん磁気構造の周期（スキルミオンの大きさにほぼ等しい）が約５０ｎｍであるから、これと同程度、またはそれ以下の厚さにおいてスキルミオンが安定する。また、らせん磁気構造の周期の２倍程度（１００ｎｍ）までならば、ある程度そのような二次元材料の効果が現れると考えられる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。たとえば、絶縁材料はＣｕ_２ＯＳｅＯ_３に限られず、キラルな結晶構造を有し、所定の条件下でスキルミオン相を有する絶縁材料であれば良い。また、実施例２において絶縁材料として楔形の薄片の厚さ約５０ｎｍの部分を用いて測定を行ったが、本絶縁材料を薄片として使用する場合は、その他の種々の形状、厚さの材料を用いても良い。また、絶縁材料にスキルミオンを誘起する方法は、磁場の印加に限られず、パルス電流や圧力の印加などによる方法も可能である。

本発明によるスキルミオンを有する領域を備える絶縁材料を用いれば、ナノサイズのスピンの渦であるスキルミオンの位置を、ジュール熱による損失を生じることなく、電場によって自在に制御できることが期待できる。したがって、将来の超低消費電力の演算素子や磁気メモリ素子に適用されることが期待される。

１０ スキルミオン
１１ 正の電荷
１２ 負の電荷
２１ 電子スピンの方向
Ｐ 電気分極
１０１ スキルミオン

Claims (7)

1. スキルミオンが誘起された絶縁材料。
2. 前記スキルミオンの誘起は、磁場を印加することにより行われることを特徴とする請求項１に記載の絶縁材料。
3. キラルな結晶構造であることを特徴とする請求項１または２に記載の絶縁材料。
4. Ｃｕ_２ＯＳｅＯ_３から形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の絶縁材料。
5. 厚さ１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲の薄片として形成されることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の絶縁材料。
6. キラルな結晶構造である絶縁材料に、所定の温度範囲において所定の強度範囲の磁場を印加し、スキルミオンを生成することを特徴とするスキルミオンが誘起された絶縁材料の製造方法。
7. 前記絶縁材料は、Ｃｕ_２ＯＳｅＯ_３により構成されることを特徴とする請求項６に記載の製造方法。