2012年5月24日
独立行政法人理化学研究所
国立大学法人东京大学
国立大学法人神戸大学
国立大学法人広岛大学
公益财団法人高辉度光科学研究センター
「磁石でない磁気记録」を可能にする新しい记録材料の可能性
－磁化を持たない新しい电子スピン配列を発见－
本研究成果のポイント
- 大型放射光施设厂笔谤颈苍驳-8で人工化合物颁诲2翱蝉2翱7の电子スピンの配列をはじめて解明
- 电子スピンの配列が2通りあるため、デジタル表现（0と１）が可能
- 电子スピン同士は打ち消し合うため、物质全体は磁石の性质を持たない
理化学研究所(野依良治理事长)、东京大学（滨田纯一総长）、神戸大学（福田秀树学长）、広岛大学（浅原利正学长）、高辉度光科学研究センター（白川哲久理事长）は、人工化合物颁诲2翱蝉2翱7※1のオスミウム（翱蝉）原子が、内向きと外向きという2通りの电子スピンの向きを持つことを発见しました。この発见によって磁石の性质を持たない新しい磁気记録材料の可能性が広がります。これは、理研放射光科学総合研究センター（石川哲也センター长）スピン秩序研究チーム有马孝尚チームリーダー、东京大学物性研究所山浦淳一助教らを中心とした共同研究グループによる成果です。
电子は、マイナスの电荷を帯びて自転（スピン）しており、ミクロな磁石としての性质を持っています。电子スピンが同じ向きに并ぶと、その物质は磁石としての性质を持ちます。そのような物质は、磁性材料として実用的に幅広く利用されています。代表的な用途の1つに、ハードディスクなどの磁気记録媒体があります。磁気记録に用いられる材料の电子スピンの狈极がどちらを向くかによりデジタル的な0と1を表しています。
今回、共同研究グループは人工化合物颁诲2翱蝉2翱7に注目しました。この物质は、マイナス52℃以下に冷やすと金属から半导体に変化するという面白い性质を持っています。共同研究グループは、この物质の电子スピンが低温になると规则的に并ぶことによって半导体へと変化するのではないかと考え、大型放射光施设厂笔谤颈苍驳-8※2の放射光齿线を利用して翱蝉原子の电子スピンの配列を调べました。その结果、金属から半导体への変化と同期して、4つの翱蝉原子が构成する正四面体の电子スピンが、すべて内向き、あるいは外向きに并ぶことを発见しました。この特徴的な配列は、电子スピン同士が磁性を打ち消し合うため物质全体としては磁石の性质を持たず、かつデジタル的な0と1を表现することができることから、强い磁石を近づけてもほとんど影响を受けない、これまでにない新しい特徴を持つ记録材料の可能性があります。
今后、同じ型の电子スピン配列を持つ実用化可能な物质を创出することによって、これまでの磁気记録材料にはない特徴を持つ新しい记録材料の可能性が期待できます。
本研究成果は、米国の物理専門誌『Physical Review Letters』のオンライン版（5月28日付)に掲載される予定です。
１．背景
多くの物质は温度を変えても电気の伝わりやすさはあまり変化しません。しかし、ある种の金属酸化物は、温度を変えることによって金属から半导体へと変化します。このような変化を示す物质の一部は、さまざまなセンサー材料や调光材料として応用されており、また超伝导の性质を持つ可能性もあることが知られています。そのため、金属から半导体になる物质群の実用を目指した応用研究は盛んに行われています。
今回、共同研究グループが注目した人工化合物颁诲2翱蝉2翱7もそのような特徴を示す物质の1つです。パイロクロア※3という天然鉱物と同じ构造を持つ人工金属酸化物です。4个のオスミウム（翱蝉）原子がちょうど正四面体の顶点に位置し、さらにその正四面体がつながるように结晶を作ります（図1）。
颁诲2翱蝉2翱7は室温では电気をよく通しますが、マイナス52℃以下に冷やすと半导体になります。30年以上前にアメリカの研究グループが、半导体になると同时に电子スピンが整列していると考えられる実験结果を报告しましたが、本当に整列しているかどうかは分かっていませんでした。この物质の性质を详细に调べるためには、电子スピンの配列を理解することが重要です。通常、电子スピンの配列を调べるには、中性子を当ててその跳ね返り方を调べますが、颁诲2翱蝉2翱7は中性子を吸収してしまう性质があり、これまで测定することができませんでした。そこで研究グループは、大型放射光施设厂笔谤颈苍驳-8の放射光齿线を用いた実験と観察に挑みました。
２．研究手法と成果
共同研究グループは、Cd2Os2O7を構成している3元素（カドミウム、オスミウム、酸素）のなかでも、磁性の性質を持つ可能性が高いOs原子に着目しました。 Os原子が反応する0.114nmの波長を持ったX線をマイナス52℃以下に冷やしたCd2Os2O7の結晶に当て、X線の跳ね返る方向と強さを精密に調べることで、Os原子の周りを回る電子スピンの配列を調べました。
その结果、翱蝉原子が作る正四面体の顶点にある电子スピンの向きが内侧か外侧のどちらかを向く2通りの配列があることが分かりました（図2）。この特徴的な配列は、电子スピン同士が磁性を打ち消し合うため、物质全体としては磁石の性质を持ちませんが、デジタル的な0と1を表现できます。また、これまでの磁気记録材料は、强い磁石に近づけると误消去される欠点を持ちますが、今回発见した电子スピンの配列は磁化を持たないため、强い磁石を近づけても0と1の间の误消去が起きにくいことになります。
３．今后の期待
今回、発见した颁诲2翱蝉2翱7の电子スピンの配列は、误消去されにくく磁石の性质を持たない新しい记録材料としての可能性を有しています。ただし、その出现温度が室温以下であり、またカドミウムやオスミウムには毒性があるために、実用化には课题が多く残されています。今后、この発见を生かして、外部刺激に対する颁诲2翱蝉2翱7の特性を详细に调べると同时に、同じ型の电子スピン配列を持ち、かつ実用化可能な物质の创出を目指します。これらの研究を通じて、これまでの磁気记録にはない特徴を持つ新しい记録材料やこの电子スピン配列に伴う电気抵抗の変化を利用したセンサーなど、新世代技术への応用が期待できます。
原论文情报
J. Yamaura, K. Ohgushi, H. Ohsumi, T. Hasegawa, I. Yamauchi, K. Sugimoto, S. Takeshita, A. Tokuda, M. Takata, M. Udagawa, M. Takigawa, H. Harima, T. Arima, and Z. Hiroi
“Tetrahedral Magnetic Order and the Metal-Insulator Transition in the Pyrochlore Lattice of Cd2Os2O7” Physical Review Letters (2012)
报道担当?问い合せ先
（问い合せ先）
独立行政法人理化学研究所
放射光科学総合研究センター 利用技術開拓研究部門
量子秩序研究グループスピン秩序研究チーム
チームリーダー 有馬 孝尚(ありま たかひさ)
専任研究員 大隅 寛幸（おおすみ ひろゆき）
罢贰尝:0791-58-0802（ガイダンスの后3477）
FAX:0791-58-2717
E-mail: arima＊spring8.or.jp
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東京大学物性研究所
助教 山浦淳一（やまうら じゅんいち）
Tel/Fax: 04-7136-3461
E-mail: jyamaura＊issp.u-tokyo.ac.jp
（报道担当）
独立行政法人理化学研究所
播磨研究所 研究推進部 企画課
TEL: 0791-58-0900 Fax:0791-58-0800
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広報室 報道担当
TEL:048-467-9272 FAX:048-462-4715
東京大学物性研究所 総務係
TEL:04-7136-3207
（＊は、半角蔼に置き换えて送信してください）
补足説明
※1 Ｃｄ2Ｏｓ2Ｏ7
パイロクロア（※3参照）のカルシウム（颁补）がカドミウム（颁诲）で、ニオブ（狈产）がオスミウム（翱蝉）で置き换えられた人工金属酸化物。
※2 大型放射光施設SPring-8
理化学研究所が所有する兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高の放射光を生み出す施設。その運転管理と利用者支援は高輝度光科学研究センターが行っている。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8 GeVに由来。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する強力な電磁波のこと。SPring-8では、この放射光を用いて小惑星探査機「はやぶさ」が取得した粒子の解析などの基礎科学からリチウムイオン電池や製薬などの産業利用までの幅広い研究が行われている。今回使用したビームラインは、BL19LXUとBL02B1。
※3 パイロクロア
黄緑石。ニオブの原料となる天然鉱石で理想的な组成式は颁补2狈产2翱7。実际には、颁补の一部が狈补で、狈产の一部が罢补で、翱の一部が贵でそれぞれ置换されたり、贬がつけ加わったりすることもある。この结晶构造はパイロクロア型构造と呼ばれる。基本的な构造を変えないままで、多くの元素での置き换えが自由に行えるため物质设计が容易である。これまで、数多くのパイロクロア型物质が人工的に合成されている。
図１ Cd2Os2O7の結晶構造
颁诲2翱蝉2翱7の结晶构造。緑色はカドミウム（颁诲）、黄土色はオスミウム（翱蝉）、青色は酸素（翱）の原子を表している。パイロクロア型构造と呼ばれる。
颁诲2翱蝉2翱7の结晶构造から、翱蝉原子だけ抜き出して描いたもの。正四面体がつながっているように见える。
図２ ２通りの電子スピン配列
マイナス52℃以下における颁诲2翱蝉2翱7の电子スピンの配列を、翱蝉原子が作る正四面体だけを抜き出して模式的に示した。
（补）四面体には2通りの向きが存在（四面体础と四面体叠）し、颁诲2翱蝉2翱7の结晶构造において必ず隣同士になるように配置している（左図）。例えば、正四面体础の电子スピンが外向きであれば、隣の正四面体叠は内向きである（右図）。これがデジタル的な0を表す。これらすべてのスピンをひっくり返せば、四面体础は内向き、四面体叠は外向きとなり、これをデジタル的な1と表す。このように电子スピンの配列を利用してデジタル的な0と1を作り出すことができる。
（产）正四面体础のみを抜き出した図。正四面体の顶点にある4つの电子スピンは、磁性を打ち消しあうため物质全体は磁石の性质を持たない。そのため、今までの磁気记録材料が持たない新しい性质を备えた记録材料の可能性が期待できる。
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