關 真一郎（東京大學 先端科學技術研究中心 教授）
|探索交替磁體，發現硫化鐵
東京大學先端科學技術研究中心的關真一郎教授等人的研究團隊，在被稱為交替磁體的新型磁體中，全球首次發現可在室溫下實現資訊讀寫的交替磁體材料。
本研究發現的磁性半導體硫化鐵（FeS）是室溫下可發揮功能的交替磁體，並證實其無需外部磁場即可穩定保存資訊，且所保存的資訊可通過電學差異進行讀取。
|傳統磁體及其問題
用作磁性記錄元件的鐵磁體
磁鐵可吸引鐵塊、存儲資訊等現象的背後，是被稱為磁性的現象。磁性源於物質內部電子具有的屬性。電子的行為如同微小磁體，該性質被稱為自旋，自旋有↑（向上）與↓（向下）兩種方向。
通常狀態下，自旋方向雜亂無章，因此物質整體不呈現磁性。然而，當施加外部磁場等作用時，大量自旋會沿同一方向整齊排列，此時物質便帶有磁性，這一現象稱為磁化；具有易磁化性質的物質即為磁體。
在磁體中，自旋同向整齊排列、撤去磁場後仍保留強磁化的物質，稱為鐵磁體。鐵、鈷等是其典型代表，目前被用作資訊記錄材料。鐵磁體可形成自旋向上與自旋向下的整齊排列狀態，將這兩種狀態的差異對應為0與1，資訊讀寫正是通過這一方式進行的。
鐵磁體與反鐵磁體的問題
然而，已知鐵磁體產生的磁場會對外界造成影響。磁體周圍出現的非預期磁場稱為漏磁場，若將記錄式裝置的磁存儲元件小型化並高密度排列，這種漏磁場會影響相鄰元件，存在資訊被改寫為與原本期望保持的資訊不一致狀態的風險。因此，存儲元件的密度提升存在極限。此外，受「反轉自旋方向以改寫資訊」的機制所限，元件運行速度也受到約束，難以進一步提升資訊處理效率。
另一方面，還存在一類被稱為反鐵磁體的磁體，其相鄰自旋必定反向整齊排列，最終物質整體的磁化相互抵消為零。因此反鐵磁體不會產生在外部可檢測到的磁場，難以從物理層面區分↑↓與↓↑兩種自旋排列並進行讀取，一直被認為不適用於資訊記錄。
硫化鐵室溫下可實現資訊讀寫
近年來，學術界從理論上提出了「交替磁體」的概念：這類材料同時兼具類反鐵磁體的自旋排列與特殊的原子排列，即便總磁化强度為零，仍可實現資訊讀寫。
交替磁體與反鐵磁體的相同點在於相鄰自旋均反向排列，但因其晶體結構不具備對稱性，↑↓與↓↑兩種自旋排列在材料內部屬於可區分的不同狀態。因此，即便物質整體的總磁化强度為零，自旋排列的差異仍會體現為晶體內部電子運動行為的差異（圖1）。
圖1 磁體概念圖
交替磁體中的電子，即便實際並未施加外磁場，也會因量子力學效應，表現出如同存在磁場一般的行為，這種作用被稱為虛擬磁場。虛擬磁場的方向不同，通入電流時橫向產生的電壓方向也會改變。利用這一性質，便可通過電學差異而非磁場差異區分↑↓與↓↑兩種自旋狀態（圖2）。
圖2 交替磁體的虛擬磁場與電子行為
交替磁體即便磁化强度為零，也可藉助虛擬磁場，通過電學差異檢測自旋狀態。
本研究探尋了可作為交替磁體發揮功能的物質，最終發現FeS在室溫下滿足這一條件。FeS與反鐵磁體類似，相鄰自旋方向不同，同時具備交替磁體特有的原子排列，與理論提出的交替磁體特徵一致。
此外，研究團隊揭示了可通過外磁場切換↑↓與↓↑兩種自旋狀態，並證實撤去磁場後該狀態仍能穩定保持，這意味著可以實現資訊的穩定記錄。同時，兩種自旋狀態可通過霍爾電阻率※1的差異明確區分，換言之，實驗表明FeS在室溫下可用作交替磁體。
※1 霍爾電阻率：表示物質通有電流時，沿電流橫向產生的電壓大小的物理量。
|向新一代資訊介質的應用邁進
交替磁體因磁化强度為零，不會產生漏磁場，可實現磁存儲元件的高密度化。此外，其應答速率據信比鐵磁體快100倍以上，有望在更高速的資訊處理中得到應用。此外，FeS交替磁體在室溫下可進行資訊讀寫，作為新一代磁存儲元件頗具前景。
本研究證實了室溫下可發揮功能的交替磁體的存在，向實現新一代超高密度、超高速資訊記錄技術邁出了一大步。
原文：JST 事業成果 奈米技術·材料領域
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Materials
論文：Spontaneous Hall effect induced by collinear antiferromagnetic order at room temperature
DOI：10.1038/s41563-024-02058-w
