スマートフォンやノートパソコンなどのモバイル端末に搭載されているメインメモリの多くは、電源オフにともない記憶情報が失われてしまう揮発性であるため、情報の保持による電力消耗が大きいという欠点があります。これは情報保持に電荷を溜める方式のためで、磁化の向きで情報を記憶することで、電源オフ時でも記憶情報が失われない「不揮発性メモリ」と呼ばれる次世代メモリの開発が行われています。しかし、強磁性体材料を用いた不揮発性メモリ「磁気メモリ」の場合、記憶素子の材料でスピンの向きが揃った、言わば小さな磁石を使っているため、高密度化にともない記憶素子同士の磁気的な干渉が起こることや、スピンの整列が保てなくなるなど、高集積化に限界があるという重大な弱点を抱えており、その解決が強く求められています。

この磁気メモリの記憶情報の読み出し方法には、トンネル磁気抵効果抗とよばれる強磁性体層—絶縁体層—強磁性体層の３層構造の間の抵抗変化を読み取る方法が採用されています。一方、本研究グループは構造的により単純な単層で作動し電力の散逸を軽減できるホール効果を利用する方法に注目してきました。ここでホール効果（図 2.1）とは、物質中に電流として流れる電子が磁場を感じることによって、電流方向と垂直な方向に起電力が生じる現象で、100年以上も前の19 世紀後半に発見されました。強磁性体では物質内部でスピンが同方向に揃うことで磁場を作るため、外から磁場をかけなくてもホール効果が自発的に現れ、異常ホール効果と呼ばれています。従来の異常ホール効果で生じる起電力はメモリ素子として利用するには比較的小さかったために注目されませんでした。近年、スピン同士が反平行や幾つかのスピンで互いに打ち消し合う配置をとる反強磁性体でも、異常ホール効果が起こる可能性が理論的に示唆されていましたが実験的報告は最近までありませんでした。この反強磁性体ではスピン同士が打ち消し合う配置をとるため、スピンが全体で作り出す磁場（磁化）がほとんどなく、強磁性体で問題となっていた漏れ磁場による素子間で干渉を抑えることで、強磁性体に比べて高密度化を飛躍的に進めることができます。また、反強磁性体は一般に強磁性体よりも３桁以上の速い動作性能を示すため高速化にも繋がります。

　本研究グループは、2015年に世界で初めて自発的に巨大異常ホール効果を示す反強磁性体物質Mn₃ Snを発見しました。今回、その一連の物質探索の中で、SnをGeに100%置換したマンガンとゲルマニウムの化合物であるMn₃Geにおいて、反強磁性体の自発的異常ホール効果にとしては、過去最大の異常ホール伝導度を示す物質を発見しました。このホール伝導度は、低温5 Kにて400 Ω^-1cm ^-1であり、Mn₃ Snの示す最大値の4倍以上で、これまで報告されている半導体の値に比べて桁違いに大きな値です（図 2.4）。ホール伝導度が高いということは、少ない電流駆動で大きな起電力を発生させることができることになり、発熱を抑えられます。次世代の反強磁性メモリ材料としては、消費電力においても優れた特性を持つものとして期待されます。さらには、異常ホール効果はスピン依存した、いわゆるスピンホール効果と起源を同じくしており、今回の発見は、反強磁性でもスピンに依存した起電力が存在すること、さらにそれを増強する新たな機構を与えるものとして注目されます。

　Mn₃Geはカゴメ格子と呼ばれる結晶構造（図 2.2）をとり、マンガン原子とそのスピンが正三角形の頂点を占める位置に配置されています。このとき、隣り合うスピンがお互いに反対方向に向こうとする力（反強磁性相互作用）が働くと、三角形の３つの頂点の間でその力が拮抗し、最終的にはお互いに120 度だけ傾いた状態が安定になります。但し、スピンの向きの取り方には幾つかの種類があり、Mn₃Geでは、図２に示すようなスピン配置をとります。このようにスピンがお互いにキャンセルするような配置をとりますが、外から磁場をかけると僅かに磁化が観測されます。この値は１つのマンガン元素あたり数ミリμ_B という値で、一般的な強磁性体の１０００分の１に相当するような非常に小さな磁化です。それにもかかわらず、磁化測定の結果では、数百ガウスという比較的小さい磁場によってこの非常に小さい値の磁化の反転が見られ（図 2.3）、それに伴いホール効果の電圧の符号が反転することも観測されました。このMn₃Ge における自発的異常ホール効果は、-270℃の低温から反強磁性転移温度の120℃の高温までの幅広い温度範囲で現れることも確認されました。

　今回の発見は、Mn₃Snの発見に引き続き、これまでの磁気メモリ開発を大きく前進させる成果と言えます。また、この発見に基づいて考えられるスピンに依存した起電力は、エネルギーハーヴェスティングの技術創出につながると期待されます。Mn₃Snだけでなく同一構造のMn ₃Geおいて更に巨大な異常ホール伝導度がみられたことは、類似物質探索、すなわちMn₃ZのZサイトの置換による最適化により高い自発的異常ホール伝導度を示す物質が見つかる可能性を示唆しています。二元化合物Mn3Ge は非常に安定な物質で、比較的簡便な方法で物質合成が可能であり、さらにクラーク数の高い安価で毒性の無い元素で構成されているなど、実用材料としても優れた特性を兼ね備えていることから、今後、実用化を目指した研究開発が急速に進んでいくことが期待されます。

　自発的異常ホール効果が現れる機構は、学術的にも大変注目されているテーマです。Mn₃Ge のスピンの構造はMn₃ Snと同様にキラリティを有しており、これに起因する電子構造のトポロジカルな性質が自発的異常ホール効果の機構に関与していることが理論的に提案されています。今後、巨大な異常ホール効果を解明するため、この効果が更に顕著になる低い温度での研究を進めていく予定です。

2. 低電力・高集積化を可能にする磁気メモリ材料～反強磁性体で巨大な異常ホール伝導度を持つ物質の発見～

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