主要成果
東京科学大学の研究チームは、マルチフェロイック材料であるBiFe0.9Co0.1O3（BFCO）で作製した直径約190ナノメートルのナノドットにおいて、電界を用いて磁化を反転させることに成功しました。2026年6月17日付のScience Advancesに掲載されたこの研究では、電界の印加によって個々のナノドット内の電気分極が再構成され、それに連動して面内および面外の両方向で持続的な磁化反転が誘起されることが示されました。構造的な変化と磁気的な変化を直接的にイメージングすることで、ナノスケールの電子デバイスに適用可能な寸法において、電気的なスイッチングで磁気状態を制御できることを証明しています。
技術・詳細
本研究では、助教の重松啓氏、JSPSポストドクトラルフェローのKoomok Lee氏、および東正樹教授を中心としたチームが、住友化学次世代エコフレンドリーデバイス共同研究クラスター、東京科学大学統合研究機構、神奈川県工業総合研究所と連携して取り組みました。研究チームはBFCOナノドットのアレイを作製し、2つの相補的なイメージング手法を用いて電界印加前後の状態を解析しました。具体的には、局所的な電気分極をマッピングする「ピエゾレスポンス力顕微鏡」と、磁場を検出する「走査型窒素空孔中心（NV）中心磁気計測」を併用し、同一構造内での分極変化と磁化反転の相関を明らかにしました。
解析の結果、各ナノドットは初期状態で分極ベクトルが中心に向かう「中心収束型」の構造を持っていましたが、電界を印加することでベクトルが外側に向かう「中心発散型」へと変化しました。この分極の再構成に同期して磁化の反転が起こりましたが、これは個々の電子スピンが単純に反転したのではなく、分極の切り替えに伴い、磁化の優先方向である「容易面」内で磁気モーメントが回転することで反転構成に至るというメカニズムであることが判明しました。
背景・業界の文脈
従来の磁気メモリは、電源を切っても情報を保持できる特性を持ちますが、データの書き込みには一般的に電流によって生成される磁場を利用します。しかし、このプロセスではジュール熱が発生することが課題となっていました。一方、電気分極と磁気秩序が結合しているマルチフェロイック材料を用いれば、分極の変化に伴って磁化を変化させられるため、電界スイッチングによる低消費電力な代替手段となる可能性があります。最大の課題は、材料をナノメートル規模まで微細化した際に、トポロジカルドメイン構造と呼ばれる複雑な分極構成が現れ、制御が困難になる点にありましたが、本研究はこの寸法においても制御可能であることを実証しました。
今後の展望
今回の成果は、「電気的に書き込み、磁気的に読み出す」という磁気メモリ概念の実験的根拠となるものです。論文の著者らは、スピン注入トルク（STT）磁気抵抗メモリなどの電流ベースの技術と比較して、エネルギー消費量を大幅に削減できる可能性を指摘しています。また、単一のナノドットが持つ多状態のドメイン構造を利用すれば、原理的に2値（バイナリ）以上の識別可能な磁気構成を保持できるため、従来のバイナリストレージを超えたメモリアーキテクチャへの道が開かれます。本実験はデバイスとしての性能実証ではなく、BFCOナノドットにおける電界誘起の分極スイッチングと持続的な磁化反転を直接的に確立したものであり、次世代の超低消費電力磁気メモリ設計に向けた具体的な基礎を提供しています。
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