強磁性絶縁体には、人類が最初に発見した磁石で、方位磁針として使われた磁鉄鉱などがあります。それらは現在でも、永久磁石や高周波用素子として、スマートフォン、自動車、PCといったありとあらゆるものに使用され、テクノロジの発展を根底から支えています。近年では、電子の持つ磁気的な性質と電気的な性質を同時に活用して素子の高速動作や低消費電力動作を実現するスピントロニクス素子の研究が盛んになり、この素子の材料としても強磁性絶縁体が有望視されています。
近年の電子化の潮流と相まって実用素子への要求性能は高まる一方であり、動作温度に関しては、室温にとどまらず200 ℃を超える高温での安定動作が求められています。しかしながら、磁気素子の高温での安定動作の可否を決める主要な因子であるキュリー温度は、1930年代のフェライト磁石開発以降、90年近く更新されておらず、高いキュリー温度を持つ次世代の強磁性絶縁体の実現と、その探索指針の構築が待たれていました。

NTT物性科学基礎研究所は、長年にわたり開発・蓄積してきた独自の酸化物合成技術によって、最高のキュリー温度を持つ新物質Sr3OsO6を世界に先駆けて合成・発見しました(図)。磁化測定によって見積もられたキュリー温度は780 ℃を超え、これは、絶縁体のキュリー温度を88年ぶりに100 ℃以上更新する成果です。
また、東大と共同で行った密度汎関数理論に基づく計算により、Sr3OsO6の強磁性絶縁状態が、5d遷移元素であるOs(オスミウム)の大きなスピン軌道相互作用に由来することを明らかにしました。これは、高温での強磁性の発現機構に新たな知見を呈示するもので、学理の構築へ貢献するとともに、今後、スピン軌道相互作用が大きな元素を活用した新物質開発へとつながることが期待されます。
本物質は新物質であるだけでなく、素子化に向けた微細加工と相性の良い単結晶薄膜の形で合成されました。このため、室温以上の高温で安定に動作する磁気ランダムアクセスメモリや磁気センサといった、高機能磁気素子の開発につながるものと期待されます。

ダブルペロブスカイトと呼ばれる結晶構造(図(a))を持つSr3OsO6薄膜を、分子線エピタキシー法によって創製しました。高品質な薄膜を合成するには、合成時にSr3OsO6を構成するそれぞれの元素の供給量を精密に制御することが重要になります。従来、3000 ℃以上の融点を持つOs原子の供給量の精密制御は困難とされていましたが、供給する原子の量を原子からの発光を利用してモニタし、高出力電子線蒸着源の出力にリアルタイムでフィードバックすることにより、Sr原子とともにOs原子の供給量の精密制御に成功しました。この技術の確立により、原子レベルでSrとOsが規則的に配列した超高品質なSr3OsO6薄膜(図(b))の合成が可能となりました。

放射光施設などの利用で可能となる先進的な分光手法を用いて、新物質Sr3OsO6の電子状態に関するさらに詳細な知見を得ることで、強磁性体の学理の構築への貢献をめざします。また、高温で安定に動作する高機能磁気素子の実現へ向けて、Sr3OsO6を材料に用いた素子を作製し、トンネル磁気抵抗効果の実証などに取り組んでいきます。

■参考文献
(1) Y. K. Wakabayashi, Y. Krockenberger, N. Tsujimoto, T. Boykin, S. Tsuneyuki, Y. Taniyasu, and H. Yamamoto: “Ferromagnetism above 1000 K in a highly cation-ordered double-perovskite insulator Sr3OsO6、”Nature Communications, Vol.10, No.535, 2019。