Research Highlights 07

数値計算で寄与！磁性材料開発の指針を示す

2024.02.09

数値計算は、開発した材料特性の理論的な裏付けや、新材料開発の指針をもたらす極めて重要なものだ。
三浦が率いる磁性理論グループは、磁性・スピントロニクス材料開発の“頭脳”として、材料の性能向上や新材料探索を支えている。

三浦良雄 Yoshio Miura

磁性・スピントロニクス材料研究センター磁性理論グループグループリーダー

磁気センサの
性能低下の要因を解明

量子力学に基づいて、物質の構造や電気・磁気的性質、安定性などを予測する「第一原理計算」。コンピュータ上で、あらゆる物性を実験とは独立して厳密に予測できる。

「いま扱っている材料の１つが、磁気メモリや磁気センサ用の『磁気抵抗素子』です。この素子は温度に非常に敏感で、常温では素子の性能を左右する『磁気抵抗比』の値が急激に下がってしまいます。その要因を特定してほしい、という材料研究者からの依頼を受けて、第一原理計算を行いました」（三浦）

磁気抵抗素子は複雑な多層膜構造を持つが、その機能発現の要となるのは、2層の強磁性体の間に非磁性体を挟み込んだ3層構造だ。三浦はその界面に着目し、計算を実施することにした。本来、第一原理計算では、絶対零度（−273.15℃）での物性しか予測できない。これを、材料が実際に使われる常温、いわゆる有限温度のもとでの物性予測を可能にするため、三浦は第一原理計算に他の理論を組み合わせた。

「有限温度領域では、物性には磁化の熱ゆらぎが大きく影響しますので、計算においても、熱統計力学に基づく熱ゆらぎの効果を電流の計算に加えることで、補正を行いました。計算の結果、実際に性能低下の原因が界面にあること、そして界面の原子構造を変えれば、温度上昇による性能低下を抑制できることを突き止めました（図）。これを材料研究者に伝えたことで、現在、材料の改良が進んでいます。もちろん、計算結果通りに材料をつくることは決して簡単ではありませんが、我々としては、まず指針を示すことが重要だと考えています」（三浦）

図強磁性層にコバルト・マンガン・シリコン（Co₂MnSi）合金を、絶縁層に酸化マグネシウム（MgO）を用いたTMR素子をターゲットに、常温下における界面の性質を第一原理計算で求めた。グラフ縦軸の「界面交換スティフネス」とは、界面でのスピンの堅さの指標。スピンが堅いほど、熱ゆらぎに強くなる。
計算の結果、Co₂MnSi合金の界面がCo原子で終端されている場合（グラフ左端・赤）、熱ゆらぎが顕著に表れることが明らかになった。そこで、界面に鉄（Fe）の層を挟んだ場合を計算したところ（グラフ右端・赤）、常温でもスピンが堅い状態が保たれ、熱ゆらぎが生じにくくなることを見出した。