レーザーが日常金属に隠れた磁性を明らかにする

テクノロジーの世界は急速に進歩しており、研究者は日々発見を行っています。 先週、科学者たちは自らの研究を発表し、 古い物理学の謎を解き明かしました。

ヘブライ大学の研究者がペンシルベニア州立大学とマンチェスター大学と協力して実施したこの研究は、通常は磁性を示さない金属において、 光と改良されたレーザー手法だけを用いて微細な磁気信号を検出しました。

非磁性材料におけるこれらのかすかな磁気効果は、まるで「ささやき」のようで、以前は明らかな理由から検出できませんでした。サイズが小さすぎたのです。しかし今や状況は変わりました。 これらの効果は測定可能となり、新たな電子の挙動パターンを明らかにし、これまでこの研究まで隠されていたものです。

この発見により、科学者は日常材料における磁性の調査方法を、配線や大型機器なしで完全に変革しました。 これにより、メモリストレージ、量子コンピューティング、そしてより小型で高速かつ高度なエレクトロニクスへの道が開かれる可能性さえあります。

‘静かな’金属における微細な磁気応答の解明

Nature Communications誌に掲載された journal Nature Communications¹、本研究は、金（Au）、銅（Cu）、アルミニウム（Al）、タンタル（Ta）、プラチナ（Pt）などの金属における微小な磁気信号を特定する新しい方法を詳細に述べています。

実は、電流が磁場内で曲がることは長らく知られており、これがホール効果です。 この効果は鉄のような磁性材料では特に強くよく知られていますが、金のような一般的な非磁性金属ではむしろ弱いのです。

光学ホール効果（OHE）は関連する現象で、光と磁場が相互作用する際の電子の挙動を可視化するのに役立つはずです。

しかしこれは理論上の話で、可視波長ではOHE効果はあまりにも微細で、科学者が検出できません。 したがって、効果が存在することは分かっていても、実際に測定するためのツールが不足しています。

「何十年もの間、騒がしい部屋でささやきを聞こうとするようなものです。誰もがささやきがあると知っていましたが、それを聞くほど感度の高いマイクロフォンがありませんでした。」

– ヘブライ大学電気工学応用物理学研究所のアミル・カプア教授

カプア教授によれば、銅や金などの金属は「磁気的に『静か』」と考えられています。例えば、金や銅は鉄のように冷蔵庫にくっつきません。「しかし実際には、適切な条件下で磁場に反応します—ただ非常に微細な形で」と彼は付け加えました。また、これらのかすかな効果を観測することは常に課題でした。

そこで、他大学との協力のもと、研究者たちは非磁性材料における本当に小さな磁気効果を検出する方法を調査しました。

そのために、彼らは磁気光学カー効果（MOKE）と呼ばれる手法に取り組み、改良しました。MOKE法では、レーザーを用いて磁性が光の方向に与える影響を測定します。

研究は、強磁性体（鉄、ニッケル、コバルトなど、原子磁気モーメントが長距離で平行に配列し自発的な全磁化を示す材料）で観測される異常ホール効果（AHE）は通常のホール効果（OHE）よりはるかに強く、したがって光学ホール効果は磁気光学カー効果（MOKE）よりもはるかに弱いことに注目しています。そのため、可視光ではほとんど検出できないほどです。

したがってMOKE技術を変更した理由です。 研究者は、外部に加える磁場の大振幅変調に基づくMOKE手法を提示しました。 そのために、回転ディスク上に配置した永久磁石を使用しました。

研究者はこれを440nmの青色レーザーと組み合わせ、手法の感度を大幅に向上させました。 その結果、非磁性金属における磁気「エコー」を検出できるようになり、以前はほぼ不可能とされていたことが実現されました。研究は次のように述べています：

「この手法の優れた感度は、新たな現象や応用、例えばスピン軌道相互作用の光学的決定への道を切り開きます。」

光学エコーが金属中の隠れた磁気信号を明らかにする

ホール測定は材料研究と固体物理学における重要な手法です。ホール効果により、材料を原子スケールで研究し、金属中にどれだけの電子が存在するかを明らかにできます。これは基礎研究と実用的応用の橋渡しに不可欠です。

しかし、効果の測定は従来、特にナノメートルスケールの極小部品を扱う際には、手間がかかり時間がかかるプロセスでした。そのため、科学者はまずデバイスにワイヤを取り付ける必要がありましたが、現在は不要です。

新しいアプローチは非常にシンプルで、電気デバイスにレーザーを照射するだけで済みます。

カプア教授が指摘したように、ホール効果を発見したエドウィン・ホールでさえ、光ビームを用いて効果を測定しようとしても成功しませんでした。ホールは1881年の論文の最後の文で次のようにまとめています：

「もし銀の作用が鉄の10分の1の強さであったなら、効果は検出されたでしょう。そんな効果は観測されませんでした。」

しかし最新の研究では、科学者たちは実際に「適切な周波数に合わせ、どこを見るかを知って」効果を観測したとカプア教授は述べました。

それにより、チームは「かつて見えないと考えられていたものを測定する方法を見つけた」とカプア教授は付け加えました。「この研究は約150年にわたる科学的課題を新たな機会へと変えるものです。」

さらに深く掘り下げることで、チームは信号中のランダムな『ノイズ』と思われたものが実はそうでもなく、明確な意味とパターンを持っていることを発見しました。

そのパターンはスピン軌道結合（SOC）に関連していました。この量子特性は、電子の移動とスピンの関係を結びつけ、材料中の磁気エネルギー散逸の方法に影響を与えます。

得られた新たな洞察は、スピントロニクスデバイス、磁気メモリ、量子システムの設計に直接かつ重要な影響を与えます。

「ラジオの雑音が単なる干渉ではなく、貴重な情報をささやく誰かの声であることを発見したようなものです。私たちは今、光を使って電子からの隠されたメッセージを‘聞く’ことができるようになりました。」

– ヘブライ大学の博士課程学生ナダヴ・アム・シャロム

この新手法は、巨大な磁石や低温環境を必要とせず、金属中の磁性を探求するための非侵襲で高感度なツールを実際に提供します。

この手法のシンプルさと精度は、エンジニアがよりエネルギー効率の高いシステムや高速プロセッサ、精度の高いセンサーを構築するのにも役立つでしょう。

しかし、これはすべて単なる始まりに過ぎず、研究は将来的に材料のスペクトルを拡大することについて言及しています。 これには追加の金属、多層膜、半導体、トポロジカルおよび2次元材料が含まれます。

また、「温度依存測定は特に関心が高く、ノイズメカニズムへの重要な洞察を提供し、その起源のより深い理解を支える可能性があります」と研究は述べています。

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新たな可能性でホール効果を拡張する

過去一年間、研究者はホール効果技術の探求を続け、可能性の境界を押し広げてきました。古典的な電気ホール測定を基盤に、科学者は新たな領域を発見し、変革的な転換を示しています。

これには、テルル（Te）における室温での顕著な非線形ホール効果（NLHE）の発見が含まれます²。この効果は、外部磁場を必要とせずに、交流電流（AC）に対する二次応答として二次高調波信号を生成します。

NLHEはホール効果ファミリーの新メンバーで、周波数倍増や整流デバイスへの利用可能性から多くの注目を集めています。しかし、低作動温度や低いホール電圧出力といった課題が実用化を制限しています。

そこで、中国科学院（CAS）に属する中国科学技術大学（USTC）の研究チームは、半導体材料で顕著なNLHEを示す系を探しました。その後、脆く希少な元素であるテルル（Te）の非線形応答を調査しました。Teは一次元の螺旋鎖構造を持ち、逆対称性が本質的に欠如しているため、理想的な候補となります。

テルル（Te）の薄いフレークをテストにかけたところ、室温でかなりの非線形ホール効果を発見しました。300Kの温度で、最大二次高調波出力は従来の記録より一桁高く、最大2.8mVに達しました。

さらに掘り下げると、テルル薄フレークで観測されたNLHEは主に外因性散乱の結果であることが判明し、構造表面の対称性の破れが重要な役割を果たしました。

これを受けて、交流電流はラジオ周波数（RF）信号に置き換えられ、テルル薄フレークでワイヤレスRF整流を実現し、0.3〜4.5GHzの範囲で安定した整流電圧出力を達成しました。このようにして、研究は先進的な電子デバイス開発の新たな可能性を開きます。

最近、ニューサウスウェールズ大学の研究者は、トポロジカル絶縁体Bi2Se3とSb2Te3のバルク状態に注目し、³軌道ホールトルクがスピンホールトルクを支配し、電流からスピン電流への効率的な変換を実現することを発見しました。

バルク状態は、トポロジカル絶縁体において、スピンホール効果（SHE）よりも最大3桁大きい顕著な軌道ホール効果（OHE）を生み出します。これは、各伝導電子の軌道角運動量がスピンよりも大きいためです。

また、TI（トポロジカル絶縁体）スピントルクデバイスにおける軌道からスピンへの変換を最適化することが、磁化制御の効率向上の鍵であると指摘していますが、これには高度な技術と特定の強磁性体が必要です。

一方、ヨハネス・グーテンベルク大学の研究者は、Cr、Nb、Ru層の強化された軌道ホール伝導性を、垂直磁化された強磁性層と組み合わせて、スピン軌道トルク（SOT）磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM）デバイスに効率的に利用することを示しました。

SOT-MRAMデバイスは、静的RAMと比較して性能向上、非揮発性、電力効率の向上が期待されます。これらのデバイスで長期データ保持と効率的な磁化スイッチングを実現するためには、垂直磁気異方性（PMA）を持つ強磁性体と、軌道ホール効果（OHE）によって増大した大トルクが必要です。

そこで、チームは選択したOHE層上にPMA（Co/Ni）3 FMを設計し、軌道ホール伝導性（OHC）の可能性を調査しました。

結果は、トルク効率が30％向上し、スイッチング電力が60％削減されたことを示し、強化された軌道ホール効果を活用して次世代SOT MRAMデバイスの高密度キャッシュメモリ用途における性能を推進する「有望な可能性」を強調しています。

スピントロニクス技術への投資

Everspin Technologies (MRAM ) は、電荷ではなく電子スピンを利用してデータを保存します。磁気抵抗性ランダムアクセスメモリ（MRAM）ソリューションの主要開発者であり、磁気ドメインにデータを保存する非揮発性RAMの一種です。

MRAMは、電子スピンの磁性を利用して非揮発性を提供し、シリコン回路と統合された磁性材料に情報を保存することで、フラッシュの非揮発性とSRAMの速度を1つのデバイスで実現します。

同社のMRAM技術製品には、Toggle MRAMが含まれ、特許取得済みのToggleセル設計を使用してシンプルで高密度なメモリを提供し、高い信頼性を実現します。もう一つの製品はスピン転送トルクMRAM（STT-MRAM）で、極化電流で電子スピンを操作し、MTJの望ましい磁気状態を確立します。

Everspin Technologies (MRAM )

時価総額1億5,000万ドルのMRAM株は現在6.68ドルで取引されており、年初来で4.54％上昇しています。EPS（TTM）は-0.01、P/E（TTM）は-451.35です。

2025年3月31日で終了した第1四半期の総収益は1,310万ドルでした。そのうち、ToggleとSTT-MRAMの売上を含むMRAM製品の売上は1,100万ドルで、ライセンス料、ロイヤリティ、特許料などからの収益は210万ドルでした。

この期間の粗利益率は51.4％で、GAAPベースの営業費用は870万ドル、GAAPベースの純損失は120万ドル（希薄化株式1株あたり0.05ドルの損失）で、非GAAPベースの純利益は40万ドル（希薄化株式1株あたり0.02ドルの利益）でした。

四半期末の現金および現金同等物は4,220万ドルに増加しました。

今年、Everspinはパデュー大学と契約を結び、同社のMRAMをCHEETA（エネルギー効率の高いAI向けCMOS+MRAMハードウェア）プログラムの基盤として活用することになりました。また、PERSYST MRAMはすべてのLattice Semiconductor FPGAでの構成が検証されました。

今年初め、同社はOrion xSPIファミリーの一環として、過酷な環境での永続的かつ高速メモリ要件に対応する自動車温度範囲を備えた2つの新製品を発表しました。

「既存および新規顧客が、設計受注や戦略的放射線耐性プログラムを通じて、メモリやFPGA用途のミッションクリティカルなアプリケーションにEverspinの堅牢なMRAM製品と技術を導入することを期待しています。」

– アガルワル

最新のEverspin Technologies（MRAM）株式ニュースと開発動向

結論

新たな研究が進むたびに、研究者は長年科学者が解明できなかったことを明らかにしています。 最新の研究は、かすかな光学信号を明確な磁気存在に変換し、非侵襲的な電子スピンプロービングの新たな方法を創出しています。 さらに、かつてノイズと見なされていたものが実は豊富なスピン軌道情報を符号化しており、これがスピントロニクス設計、磁気メモリ、量子技術を変革し、よりエネルギー効率の高いデバイスと拡張されたデータ保存容量につながる可能性があることが明らかになりました。

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参考文献：

1. Am-Shalom, N.; Rothschild, A.; Bernstein, N.; Ginzburg, N.; Vinnicombe, H.; Illg, C.; Földes, D.; Kolel-Veetil, M.; Alfrey, A.; Bromley, S. T.; Barbiellini, B.; Everschor-Sitte, K.; Mishra, S.; Haim, M.; Lifshitz, E.; Hamann, D. R.; Stiles, M. D.; Schecter, M.; Sztenkiel, D.; Kapitulnik, A. 可視波長における高感度MOKEおよび光学ホール効果技術：ギルバート減衰に関する洞察。 Nature Communications, 16, 6423 (2025). 公開日 online 2025年7月17日. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61249-4
2. Cheng, B.; Gao, Y.; Zheng, Z.; Wang, K.; Liu, X.; Li, Z.; Wang, G.; Liu, Y.; Huang, J.; Lai, J.; Xu, C.; Zhang, Y.; Zhao, Y.; Wang, J.; Lin, X.; Xu, X.; Lu, H.; Xu, Y. 巨大非線形ホール効果と室温でのワイヤレス整流効果：元素半導体テルルにおいて。 Nature Communications, 15, 5513 (2024). 公開日 online 2024年6月29日. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49706-y
3. Cullen, J. H.; Liu, H.; Culcer, D. 3次元トポロジカル絶縁体のバルク状態による巨大軌道ホール効果。 npj Spintronics, 3, 22 (2025). 公開日 online 2025年6月3日. https://doi.org/10.1038/s44306-025-00087-y
4. Gupta, R.; Bouard, C.; Kammerbauer, F.; Shin, H.; Tang, P.; Shukla, N.; Kundu, A.; Sinn, S.; Finizio, S.; Heidler, J.; López-Díaz, L.; Kläui, M.; Jakob, G.; Kronast, F.; Jungfleisch, M. B.; Beens, M.; Garg, C.; Parkin, S. S. P. スピン軌道トルクMRAMにおける軌道ホール効果の活用。 Nature Communications, 16, 130 (2025). 公開日 online 2025年1月2日. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55437-x