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単純な金属を磁気センサーに応用できる新メカニズムの発見

2013年7月31日


左から米澤助教、高津 首都大学東京助教

 米澤進吾 理学研究科助教、前野悦輝 同教授、高津浩 首都大学東京助教(当時は理学研究科博士後期課程)らの研究グループと首都大学東京、大阪市立大学、大阪大学、広島大学の研究グループは、非磁性の単純金属であるパラジウムコバルト酸化物の磁場による電気抵抗の変化(磁気抵抗効果)を測定し、巨大な磁気抵抗効果が現れることを発見しました。

 磁場がゼロのときと比べ、磁場中では電気抵抗が最大で350倍にまで増加しました。大きな磁気抵抗効果を示す例として、コンピューターのハードディスクなどからの情報の読み出しに使われている磁性体多層膜が知られており、その原理の発見は2007年のノーベル物理学賞にも選ばれました。本成果で発見された新しい磁気抵抗効果は、この磁性体多層膜での抵抗変化にも匹敵する大きさです。パラジウム-コバルト酸化物は、伝導電子を豊富に持ち磁気的な性質は持たないなど、多くの意味で「普通」の導電体ですが、このような単純な金属で数百倍もの巨大な磁気抵抗効果が現れるのは驚くべきことです。また、この磁気抵抗効果の起源をコンピューターシミュレーションにより明らかにすることにも成功しました。その結果、単純な金属でもいくつかの条件を満たせば巨大な磁気抵抗効果を示しうるという、これまで見落とされてきた事実が明らかになりました。

 この発見は、単純金属でも磁気センサーに応用できる可能性を初めて示したものであると言えます。

 本研究成果は、アメリカ物理学会が発行する英文誌「Physical Review Letters」の電子版(2013年8月1日)に公開され、印刷版としては111巻5号(2013年8月2日発行)に掲載される予定です。編集者の推薦論文(Editors' Suggestion)にも選ばれ、アメリカ物理学会が注目論文を紹介するPhysics誌に解説記事が掲載されます。

背景

 磁場によって物質の電気抵抗が変化する「磁気抵抗効果」は、現代社会に無くてはならないものとなっています。特に、ハードディスク等の磁気記録媒体からの情報の読み出しには磁気抵抗素子が使われていて、その性能の向上が現代の情報化社会の発展に大きく貢献してきました。現在、読み出し素子としては、「巨大磁気抵抗効果(Giant Magnetoresistance; GMR)」と呼ばれる大きな磁気抵抗効果を示す磁性体多層膜を用いたものが主に使われています。この磁性体多層膜の巨大磁気抵抗効果の発見は2007年のノーベル物理学賞にも選ばれており、このことも磁気抵抗効果の重要性を物語っています。最近では、さらに大きな磁気抵抗効果を示す「超巨大磁気抵抗効果(Colossal Magnetoresistance; CMR)」も盛んに研究されています。

 従来知られているこれらの巨大な磁気抵抗効果は、物質の磁気的な性質を起源としています。つまり、物質中の元素が微小な磁石(磁気モーメント)としての働きを持つ状況で、その磁石と伝導電子の相互作用を利用することによって、巨大な磁気抵抗効果を生み出しています。一方、磁気的な性質を持たない金属も磁気抵抗効果を示しますが、その大きさは非常に小さいものしか知られていませんでした。この場合の磁気抵抗の起源は、運動する伝導電子が磁場から受ける力(ローレンツ力)であると考えられています。

 高津助教、石川洵氏(当時理学部学生)、米澤助教、前野教授らの研究グループは、パラジウム-コバルト酸化物PdCoO2に注目してこれまで研究を進めてきました。この酸化物は、伝導電子を豊富に持つ、磁気的な性質は持たない、電子状態が単純であるなど、多くの意味で単純金属であると言えます。大きな特徴は、パラジウム原子の層とコバルト-酸素の層が交互に並んだ積層構造(図1)を持っているという点です。この物質の伝導電子はパラジウム原子の層に閉じ込められて2次元的に振舞います。この2次元電子の伝導性は極めてよく、PdCoO2の層方向の電気伝導率は酸化物の中でも最高レベルの値を持っています。一方で、層の間の電気伝導率は層に平行な方向の電気伝導率の数百倍程度低く、実際に2次元に近い電子状態が実現されていることが、実験的にも明らかになっています。このようにPdCoO2は、非常に導電性の高い2次元的な電子状態が自然に形成されているという興味深い物質です。


図1:PdCoO2の結晶構造。パラジウム(Pd)の電気伝導層とコバルト-酸素から成る絶縁性のブロック層(CoO2)が交互に積層することで二次元的な電子状態が実現しています。

研究手法・成果

 高津助教、米澤助教らは、PdCoO2の単結晶(図2)を作製し、その層間方向の電気抵抗率について、磁気抵抗効果の温度依存性・磁場強度依存性・磁場角度依存性を調べました。その結果、非常に大きな磁気抵抗効果が起こることを発見しました。磁気抵抗効果による電気抵抗の変化量は、図3に示すように、最大でゼロ磁場での電気抵抗の値の350倍(35000%)にも達しました。(温度-271度(絶対温度2ケルビン)・磁場14テスラにおける値)。また、比較的高い温度でも大きな磁気抵抗効果は観測され、例えば温度-73度(絶対温度200ケルビン)・磁場14テスラでも1.5倍(150%)、室温においても9テスラで約6%の磁気抵抗効果が観測できました。

 これまでに知られている単純金属の磁気抵抗効果は、極低温という磁気抵抗効果が出やすい条件下でも、10テスラ程度の磁場でせいぜい数倍でした。したがって、本研究で発見されたPdCoO2での通常単純金属の百倍もの巨大な磁気抵抗効果は、驚くべき結果であるといえます。


図2:PdCoO2の単結晶の写真。図の矢印の方向に磁場をかけると、紙面に垂直な方向の電気抵抗に巨大な磁気抵抗効果が表れます。


図3:PdCoO2の単結晶の磁場中電気抵抗の温度依存性。磁場をある方向に印加すると最低温度ではゼロ磁場抵抗率の350倍(35000%)にも達することがわかりました。挿入図は第一原理計算によって得られたPdCoO2のフェルミ面と結晶軸方向、印加磁場Hの関係

 この現象の原理を明らかにするため、吉野治一 大阪市立大学理学研究科准教授と村田惠三 同教授は、獅子堂達也 広島大学先端物質科学研究科助教と小口多美夫 大阪大学産業科学研究所教授の第一原理計算を基にした、ローレンツ力に起因する磁気抵抗効果のモデル計算プログラムを開発しました。このプログラムによる計算結果が実験結果をよく再現したことから、PdCoO2の磁気抵抗効果はローレンツ力に起因するものであると考えられます。簡単にいうと、図4のように、ローレンツ力によって伝導電子のパラジウム原子層内への閉じ込めが極端に強まることで、電気抵抗が大きく増大したと説明できます。興味深いのは、これまで大きな磁気抵抗効果の起源になりうるとは考えられてこなかったローレンツ力が、なぜPdCoO2の場合には巨大な磁気抵抗効果を生み出せるのかという点です。その理由としては、伝導電子がパラジウム層内に閉じ込められていること、六角柱状のフェルミ面を持っていること、結晶が純良で非常に高い電気伝導性を持つことの3点が重要であることが明らかになりました。


図4:本成果で発見された巨大な磁気抵抗効果のメカニズムの模式図。ゼロ磁場(左図)では伝導電子はパラジウム原子の層に弱く閉じ込められていますが、伝導電子は層と層の間にも広がっています。したがって、層と層の間を電子が飛び移ることができ、層間方向にも電気が比較的流れやすい状態になっています。一方磁場中(右図)では、伝導電子はローレンツ力による蛇行運動のためにパラジウム層内に強く閉じ込められるようになります。その結果、層と層の間を電子が飛び移りにくくなって電気抵抗が大きくなります。PdCoO2では、層内で電子が非常に動きやすいため、この閉じ込め効果が強くなります。また、六角柱状というフェルミ面の形にも閉じ込め効果を強くする働きがあります。

波及効果

 本成果では、非磁性の単純金属でも巨大な磁気抵抗効果を示すことがあることを初めて明らかにしました。このことは、磁気抵抗効果を利用するデバイスを開発する上で、重要な指針を与えます。例えば、本成果で発見されたメカニズムを利用すれば、人工的に単純金属の2次元構造を作ることで、磁性元素を使わずに大きな磁気抵抗効果を示すデバイスを作ることができる可能性を示しています。また、電気伝導現象の基礎学術研究の上でも大変興味深い成果といえます。加えて、同じメカニズムでの巨大な磁気抵抗効果を示す物質の開発など、物質科学的な側面での波及効果も期待できます。

今後の予定

 PdCoO2は電気伝導を担うパラジウムの電気伝導層と絶縁的なコバルト-酸素のブロック層で構成されているため、パラジウムを他の元素に置き換えることで電気伝導性を制御したり、コバルトを他の元素に置き換えることで絶縁性や磁性を制御したりできると期待できます。したがって、PdCoO2に対して元素置換を行うことで、電気伝導の大きさや次元性の変化が巨大磁気抵抗に与える影響を実験的に明らかにしていきたいと考えています。また、同様なメカニズムによる巨大な磁気抵抗効果を示す物質系の探索も行っていきたいと考えています。

本研究は、文部科学省および日本学術振興会による科学研究費補助金事業(KAKENHI 21340100, 22840036, 24740240)およびグローバルCOE「普遍性と創発性が紡ぐ次世代物理学」の支援を受けました。また、本学における実験では、低温物質科学センターによる安定的な寒剤供給を通じたサポートを受けました。

書誌情報

[DOI] http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.111.056601

[KURENAIアクセスURL] http://hdl.handle.net/2433/176996

論文タイトル

"Extremely Large Magnetoresistance in the Nonmagnetic Metal PdCoO2"
(非磁性金属PdCoO2における非常に大きな磁気抵抗効果)

著者

Hiroshi Takatsu1,2, Jun J. Ishikawa2,3, Shingo Yonezawa2, Harukazu Yoshino4,Tatsuya Shishidou5, Tamio Oguchi6, Keizo Murata4, and Yoshiteru Maeno2
1:首都大学東京理工学研究科、2:京都大学理学研究科、3:東京大学物性研究所、4:大阪市立大学理学研究科、5:広島大学先端物質科学研究科、6:大阪大学産業科学研究所

掲載誌

Physical Review Letters誌 第111巻5号, 056601(2013年8月2日発行)

 

  • 朝日新聞(8月1日夕刊 11面)、京都新聞(8月1日 25面)および日刊工業新聞(8月1日 19面)に掲載されました。