研究結果

例えば鉄・コバルトなどの金属は磁石を近づけると、自身も磁石の性質をもつことができます。しかし金などもともと磁石にくっつかない金属は、たとえ磁石を近づけてもそれ自身が磁石になることはない、そう考えられてきました。しかし今回、そこに熱を流すことによって金が磁石の性質を示す、という現象を世界で初めて観測しました。

物質が磁気に反応する性質・磁性は、物質の持つ基本的な性質の１つであり、長い研究の歴史があります。磁性を持つ物質は磁性体と呼ばれ、特に自発磁化を持つ物質を磁石と呼びます。
齊藤教授らが発見したスピンゼーベック効果^注1）では、磁石ではない金属の薄膜を接合した磁性体中に温度の流れ（熱非平衡状態）を作ると、磁性体中にスピンの流れ（スピン流）が伝わって接合された金属へ流れ込み、逆スピンホール効果^注2）によって電圧が生じることが分かっています（図１ｂ）。この一連の現象は、理論的には熱非平衡状態で生じる磁化（非平衡磁化）が鍵となって起こると考えられますが、これまで実験で非平衡磁化が確認されたことはありませんでした。

今回、熱非平衡磁化の観測実験のためイットリウム鉄ガーネット（YIG）という磁石の上に金（Au）薄膜を張り付けた試料を用意しました。この試料にYIG薄膜側または金薄膜側のいずれかに熱を加えると、熱は温度の高い側から低い側に流れます（図２ａ）。このような熱非平衡状態で、外部から磁場を加え、YIG薄膜中の磁化を垂直方向に向け、金薄膜に電流を流しました（図３ａ）。このとき、もし金薄膜中に磁化が生じていれば、異常ホール効果と同様の原理によって、電流と磁化の向きの両方に対して垂直な方向にホール電圧が発生すると予想しました（図２ｂ）。異常ホール効果とは、磁石中の磁化に垂直な方向に電流を流したときに、電流の流れと磁化の向きの両方に垂直な方向に電圧（ホール電圧）が生じる現象のことを言い、磁化の発現を確かめる有用な手法の１つとなっています。
測定の結果、実際に温度勾配に比例したホール電圧が生じていることが明らかになりました（図3ｂ、ｃ）。このホール電圧は、外部磁場に比例して大きさが変化することから、温度勾配によって金薄膜中に磁化が生じることを示しています。つまり、磁石ではない金属中に、温度勾配によって非平衡磁化が生じることを世界で初めて証明しました。
今回観測したホール効果は、磁性体が持つ通常の磁化による異常ホール効果とは異なり、熱非平衡状態で生じた非平衡磁化によるものとして、「非平衡異常ホール効果」と命名しました。
また、非平衡異常ホール効果は、単位体積あたり１００万分の１電磁単位という微小な磁化を電気信号として検出できることが分かり、これによって様々な材料における熱非平衡状態での磁化特性を評価および解明する新しい磁化測定法として利用できます。さらに、このような磁化測定法の確立による温度勾配（熱流）と磁化との関係の解明は、熱流を使ったスピントロニクスの研究を加速させ、日常生活で捨てられている熱を削減および利用する省エネ社会の発展に貢献するものと考えられます。