Key Projects磁性・スピントロニクス材料研究センターが推進するプロジェクトをご紹介

磁石でエネルギーの制御に革新を
グリーン磁性材料

永久磁石として知られ、電気自動車（EV）のモーターにおいて駆動力を生む「高性能ネオジム磁石」。化石燃料からの脱却に向け社会の気運が高まる中、その需要は増大する一方だ。本プロジェクトでは、往年の課題である重希土類元素によらない高性能ネオジム磁石の実現を目指すほか、使用済みの製品に含まれるネオジム磁石から希少性の高い元素を分離・回収するリサイクル技術の開発にも着手した。また、磁気によって熱を操る新たなエネルギー材料群「磁性熱動体」の創製にも挑む。さらに、グリーンエネルギーと言われる水素を社会に普及させる上でも、磁性材料は貢献が見込まれる。「磁気冷凍材料」は、磁場をかけると吸発熱する「磁気熱量効果」を示す物質であり、水素を液化温度まで下げる冷却材としての応用に期待がかかる。現在、室温から極低温までの冷却を可能とする磁気冷凍材料の研究開発を推進中だ。

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材料開発を大幅に加速！
ナノ解析・理論計算という共通基盤

NIMSはこれまで、とりわけ重希土類フリー永久磁石の研究開発において先駆的な成果を示してきた。その強力な後ろ盾となったのが、材料の微細組織をミクロ・ナノ・原子スケールで解析する技術である。電子顕微鏡や3次元アトムプローブなど最先端解析装置を組み合わせ、結晶粒界や薄膜の界面をマルチスケールに観察することにより、材料設計の指針が得られてきた。また、実験結果と、理論計算に基づくコンピュータシミュレーション結果との比較も、微細組織と特性との関係を理解する上で不可欠だ。本センターではナノ解析・理論計算のグループが材料の研究開発を担うグループと並走するとともに、今期はデータ駆動型研究との融合を深め、研究開発の効率化・高速化を図る。

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磁気応用の新たなフロンティア
デジタルイノベーション

磁気の起源である、電子のスピン。磁性体におけるスピンの向き（磁化の方向）の効率的な制御は、省エネルギー化に直結すると同時に、デバイスの処理速度向上に資する命題だ。高容量化の要請が強まるハードディスク（HDD）のディスク表面には強磁性体の微粒子が分散され、磁化の方向に応じてデジタル信号の“０・１”を記録している。本プロジェクトでは、NIMSが見出した鉄・白金（FePt）系媒体の高記録密度化に挑むほか、新規記録方式の開発にも取り組む。一方、媒体材料が進化すれば、そこから情報を読み取るリードヘッドにも鋭敏な応答が求められる。リードヘッドの核を成すのが「磁気抵抗素子」（下囲み参照）である。これは、次世代メモリとして期待値の高い「磁気抵抗メモリ（MRAM）」の記憶素子としても使われており、高性能化が実現すれば大きな波及効果が見込める。NIMSは素子の性能を最大化するため、異種材料の積層界面の最適化や新材料探索に取り組んでいる。

既存の素子・デバイスの高性能化はもちろん、磁性・スピントロニクス材料の応用先の開拓もNIMSの重要な使命だ。そのために、スピン由来の物理現象の探究や原理実証にも力を注ぐ。応用例としては、ビッグデータの収集を可能にする新原理のセンサや、生物の脳をモデルとした「ニューラルコンピューティング」用の次世代演算素子など、低消費電力ながらも高速に動作するデジタルデバイスを見据えている。片や、探索サイクルの高速化を効率的に進めるためには、研究現場の“スマートラボラトリ化”が欠かせない。現在、１枚の基板上に組成や膜厚の条件を変えた膜を積層できるコンビナトリアル成膜装置をはじめ、素子化や特性計測プロセスも次々と自動化。解析にはデータ科学を積極的に導入するなど、最先端手法を結集させていく。