スパコンと顕微鏡で磁石のつながりの強さを測ることに成功 ～次世代デバイスに向けた磁性ガーネットの新しい材料評価技術を確立～

スパコンと顕微鏡で磁石のつながりの強さを測ることに成功～次世代デバイスに向けた磁性ガーネットの新しい材料評価技術を確立～

2025年9月11日 11:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇电気通信研究所　准教授　后藤太一

【発表のポイント】

顕微镜観察とコンピュータシミュレーションを组み合わせた简便な新手法を使い、巨大な磁気光学効果を示す磁性ガーネット薄膜が磁石になろうとする强さを表す交换スティフネス定数^（注¹^）を精密に决定することに成功しました。
本技术により、次世代低消费电力デバイスとして期待されるスピントロニクス^（注²^）やマグノニクス^（注³^）デバイスの効率的な材料评価と设计指针の确立が期待されます。

【概要】

磁性材料において、隣接する磁気モーメント间の结合强度を表す「交换スティフネス定数」は、磁区^（注⁴^）构造や磁気応答特性を决定する最も重要な物性値の一つです。この値の正确な测定は、磁気记録デバイスやスピントロニクス素子の设计において必要不可欠ですが、従来の测定法には装置の高コスト化や试料の损伤といった课题がありました。

东北大学、豊桥技术科学大学、信越化学工业株式会社、トルコ?コチ大学による国际共同研究グループは、大规模3次元マイクロ磁気シミュレーション ^（注⁵^）と偏光顕微镜観察を组み合わせた磁性材料の新しい评価手法を开発しました。セリウム置换イットリウム鉄ガーネット（颁别:驰滨骋）^（注⁶^）薄膜を用いた実証実験において、観察された磁区周期とシミュレーション結果を照合することで、交換スティフネス定数を3.8～4.4 pJ/mの範囲で精密に同定しました。この値は既報の実験値と良好に一致し、手法の有効性を確認しました。さらにシミュレーションにより、磁性ガーネット膜中には複合型磁壁^（注⁴^）构造（ネール?ブロッホ混合壁）が存在していることを明らかにし、磁性体薄膜における磁壁物理の新たな理解をもたらしました。本技术は材料を损伤することなく基本的な装置のみで测定が可能であり、実用化により次世代磁気デバイスの効率的な材料スクリーニングと最适设计の実现が期待されます。

本成果は9月9日（現地時間）、応用物理分野の国際専門誌Applied Physics Lettersに注目論文のFeatured Articleとして掲載されました。

図1. 磁気ドメインの計算を行い、ドメイン半周期が等しくなるときを探すことで交換スティフネス定数を特定できることを示した。

【用语解説】

注1. 交換スティフネス定数：磁性材料内で隣り合う原子の磁気モーメント同士がどの程度強く結びついているかを数値化した物理量。交換結合定数とも呼ばれる。この値によって、磁性体内部の磁区パターンや磁壁の厚み、スピン波の伝わり方などの基本特性が決まる重要な材料パラメータ。測定単位はpJ/m（ピコジュール毎メートル）で表される。

注2. スピントロニクス：電子が持つ電荷の性質だけでなく、電子のスピン（磁気的性質）も活用してデバイスの機能を実現する新しい電子技術分野。従来の半導体技術を超えた低消費電力?高機能デバイスの創出を目指している。

注3. マグノニクス：磁性材料中のスピン波（マグノン）を情報伝達に利用する新技術分野。磁気波の持つ波動特性や干渉現象を活用し、従来の電子デバイスでは実現困難な超低消費電力での情報処理技術の確立を目指す研究領域。

注4. 磁区?磁壁：磁性材料において磁化の向きが同じ方向に揃った領域を磁区と呼び、異なる磁区同士の境界部分が磁壁となる。磁壁は磁化の回転様式により、薄膜面内で回転するネール壁と面に垂直方向に回転するブロッホ壁に分類され、今回の研究では両者が混在する新しいタイプの磁壁構造を確認した。

注5. マイクロ磁気シミュレーション：磁性体内の磁化分布とその時間発展を数値計算で予測する手法。交換相互作用、磁気異方性、静磁相互作用などを考慮して磁気構造を計算。

注6. セリウム置換イットリウム鉄ガーネット（Ce:YIG）：Ce0.9Y2.1Fe5O12の化学組成を持つ磁性ガーネット。薄膜面に垂直な垂直磁気異方性と優れた磁気光学効果を併せ持ち、光通信用アイソレータやスピントロニクス素子などへの実用化が検討されている磁性ガーネット材料。

【论文情报】

タイトル：Evaluation of Exchange Stiffness Constant in Iron Garnet Film using Micromagnetic Simulation
著者：Takumi Koguchi, Toshiaki Watanabe, Hibiki Miyashita, Kazushi Ishiyama, Yuichi Nakamura, Mitsuteru Inoue, Mehmet C. Onbasli, Taichi Goto*
*责任着者：东北大学电気通信研究所?准教授?后藤太一
掲載誌：Applied Physics Letters（Featured Articleに選出）
顿翱滨：

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