京大ら,アモルファス合金中のDMI発現を解明

京都大学は,日本大学,韓国の高麗大学校,ソウル大学校と共同で,フェリ磁性ガドリニウム・鉄・コバルト(GdFeCo)アモルファス合金中にジャロシンスキー守谷相互作用(DMI)が存在することを見いだし,その発現メカニズムを解明した(ニュースリリース)。

磁性材料においては空間反転対称性の破れが,DMIを発現させ,スピントロニクスデバイスへの応用の可能性がある物理的挙動をもたらす。近年,ホモキラル磁壁や磁気スキルミオンのようなキラル(対掌的)なスピン構造を安定化させるDMIは盛んに研究されている。

これまでの研究では,強磁性金属/重金属二層膜系においてDMIの研究がなされており,この系では界面の存在によって構造的に空間反転対称性が破れている。強磁性材料のDMIは広く研究されてきたが,フェリ磁性材料のDMIはほとんど研究されてこなかった。そもそもアモルファス合金では優先配向がないためにDMIのような空間反転対称性の破れに由来する効果が消失すると予想されている。

今回の研究では,垂直磁気異方性を示すフェリ磁性ガドリニウム・鉄・コバルト(GdFeCo)アモルファス合金薄膜を用いた。GdとFeCoの磁化は反平行に結合している。シリコン基板上に作製したGdFeCoアモルファス合金薄膜のDMI測定結果,DMI定数とフェリ磁性層の膜厚の間に線形関係があることを見出した。

これはGdFeCoアモルファス合金薄膜全体にDMIが存在していることを示している。空間反転対称性の破れが期待されないアモルファス合金におけるDMI発現メカニズムを探るために,走査透過型電子顕微鏡(STEM)と電子エネルギー損失分光法(EELS)を用いて試料の構造を詳細に検討した。

その結果,GdとFeの組成比(Gd/Fe)が厚さ方向に沿って徐々に大きくなることが明らかになった。この元素組成の非対称な分布が反転対称性の破れの原因であると考えられる。

今回の研究では,元素組成の連続的変化が空間反転対称性の破れを引き起こし,アモルファス合金中にDMIが発現させることを明らかにした。研究グループは,今回の成果は,新たなDMI材料探索の方向を示しており,今後の高性能材料の開拓が期待できるとしている。

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