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【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】

• 多くの磁気光学デバイスへの応用が期待されているセリウム置换イットリウム鉄ガーネット（颁别:驰滨骋）^（注1）膜において、基板の结晶构造の特性（格子定数）に依存しない垂直磁気异方性^（注2）の実现に成功しました。
• 磁化されやすさの方向の特性である磁気异方性の起源が成长诱导磁気异方性^（注3）であることを定量的に解明し、その寄与が従来重视されていた弾性磁気异方性を大きく上回ることを実証しました。
• 本成果により、基板选択の制约を超えた磁気光学材料设计が可能となり、光通信デバイスや次世代磁気デバイスの开発加速が期待されます。

【概要】

磁性ガーネット薄膜、特にセリウム置换イットリウム鉄ガーネット（颁别:驰滨骋）は、优れた磁気光学効果を示すため、情报通信?処理デバイスへの応用が期待されています。これらのデバイスでは、膜面に垂直な磁化配向（垂直磁気异方性）が重要です。従来、颁别:驰滨骋薄膜の垂直磁気异方性は、基板と薄膜の格子定数差によって生じる格子ひずみ（弾性磁気异方性）で制御されると考えられ、基板选択が材料设计の自由度を制约していました。

东北大学、豊桥技术科学大学、信越化学工业株式会社、マサチューセッツ工科大学による国际共同研究グループは、イオンビームスパッタ法を用いて、格子定数の异なる2种类のガーネット基板上に颁别:驰滨骋膜を成膜しました。両薄膜は逆符号の格子ひずみ状态にあるにもかかわらず、いずれも明瞭な垂直磁気异方性を示しました。详细な解析の结果、成长诱导磁気异方性の寄与が弾性磁気异方性の寄与を1桁上回ることが明らかになりました。齿线回折测定により、セリウムとイットリウムの原子配列に规则性があることを确认し、これが成长诱导磁気异方性の起源であることを実証しました。

本成果は11月25日（現地時間）、米国化学学会が発行する国際専門誌ACS Applied Optical Materialsに掲載されました。

図1. 基板ひずみの符号が逆でも同じ垂直磁気異方性を実現
(a) Ce:YIG/GGG、(b) Ce:YIG/SGGGの磁化曲線。赤線は面直方向、黒線は面内方向の磁化を示す。Ce:YIG/GGGは面直引張ひずみ（格子ミスマッチ+0.38%）、Ce:YIG/SGGGは面内引張ひずみ（格子ミスマッチ?0.12%）と、逆符号のひずみ状態にあるにもかかわらず、両薄膜ともに明瞭な垂直磁気異方性を示している。これは、磁気異方性が基板ひずみによる弾性磁気異方性ではなく、成長誘導磁気異方性（マグネトタキシャル異方性）によって主に決定されていることを示す決定的な証拠である。飽和磁場は約70 mTで、従来報告値（140～240 mT）よりも大幅に小さく、実用デバイスへの応用に適している。

【用语解説】

注1. セリウム置換イットリウム鉄ガーネット（Ce:YIG）：本論文では、Ce0.9Y2.1Fe5O12の化学組成を持つ磁性ガーネット。ガーネット構造（化学式R3Fe5O12）において、希土類Rのサイトの一部をセリウムで置換した材料。セリウムイオンの4f-5d電子遷移により、近赤外領域で大きなファラデー回転角（本研究では1064 nm波長で-1.05°/mm）を示す。光通信用アイソレータ、Qスイッチレーザー、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。垂直磁気異方性と優れた磁気光学効果を併せ持つことが特徴。

注2. 垂直磁気異方性（PMA）：磁性材料において、磁化が薄膜面に垂直な方向を向きやすい性質。磁気異方性エネルギーが正の値を持つとき、垂直磁化が安定となる。微細な磁区構造の形成に必要不可欠な特性であり、磁気光学デバイスや磁気記録デバイスの高性能化に重要。

注3. 成長誘導磁気異方性（マグネトタキシャル異方性）：薄膜成長過程において、特定の結晶サイト（本研究では12面体サイト）を占める原子（セリウムとイットリウム）の配列に規則性が生じることで発現する磁気異方性。結晶成長の方向性に依存し、格子ひずみとは独立した異方性寄与を与える。本研究では、この異方性が最大約30 kJ/m3に達し、弾性磁気異方性を大きく上回ることを発見した。

【论文情报】

タイトル：Magnetotaxial Perpendicular Magnetic Anisotropy and Enhanced Faraday Rotation in Ion Beam Sputtered Cerium-Substituted Yttrium Iron Garnet
著者：Taichi Goto*, Takumi Koguchi, Yuki Yoshihara, Hibiki Miyashita, Kanta Mori, Toshiaki Watanabe, Allison C. Kaczmarek, Pang Boey Lim, Mitsuteru Inoue, Caroline A. Ross, Kazushi Ishiyama
*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：ACS Applied Optical Materials
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详细（プレスリリース本文）

问い合わせ先

（研究に関すること）
东北大学电気通信研究所
准教授　后藤太一
TEL: 022-217-5489
Email: taichi.goto.a6*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（报道に関すること）
东北大学电気通信研究所総務係
TEL: 022-217-5420
Email: riec-somu*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）