空孔の規則度制御でフェリ磁性体の補償温度をコントロール

ありふれた元素から次世代スピントロニクス材料を創出！

2026-8-4●工学系工学研究科招へい教授赤井 久純

発表のポイント

鉄（Fe）、クロム（Cr）、硫黄（S）からなる非平衡相（ピロータイト型構造）において、熱処理（焼き入れ）温度を最適化することで不純物のない「単相」の合成に成功しました。
1323 K（約1050 ℃）から急冷した試料において、極めて大きな磁気保磁力（38 kOe）が観測されました。
鉄とクロムから構成される副格子磁化の大きさが相殺する「補償型フェリ磁性体」で、片方のスピンのみが電気を流す「ハーフメタル型電子状態」を両立していることが第一原理計算の結果から示唆され、次世代の超高密度・超高速スピントロニクスデバイスの基盤材料として期待がもたれます。

発表概要

本研究は、ありふれた元素のみで構成され、次世代スピントロニクスへの応用が期待される「ハーフメタル補償型フェリ磁性体」の創出に向け、鉄・クロム硫化物（(Cr,Fe)₇S₈）の製造プロセスの最適化に挑んだ成果です。
東北大学金属材料研究所の梅津理恵教授らの研究グループは、熱処理条件を検討した結果、1323 K以上から急冷することで不純物の析出を完全に抑えた準安定相を得ることに成功しました（図1、図2）。急冷温度を変えることで結晶内の原子空孔の規則度を制御でき、それに伴い磁化が相殺する「磁化補償温度」をチューニングすることが可能です。特に1323 Kから急冷して得た試料は、5 Kにおいて38 kOeという極めて巨大な保磁力を示しました（図3）。さらに第一原理計算により、本物質が高いスピン分極率を持つハーフメタル型電子状態を有していることが示唆され、漏れ磁場のない超高密度・高速デバイスの基盤材料として極めて有望であることを明らかにしました。本成果は、2026年8月4日（現地時間）に学術誌Smallにオンライン掲載されます。
なお本成果は、島根大学材料エネルギー学部（東北大学金属材料研究所クロスアポイント）の千星聡教授、九州大学大学院工学研究院の吉年規治准教授、国立研究開発法人海洋研究開発機構の真砂啓技術副主幹と川人洋介上席研究員、国立研究開発法人産業技術総合研究所の福島鉄也研究チーム長、大阪大学大学院工学研究科・株式会社アカデメイアの赤井久純 大阪大学名誉教授との共同研究によるものです。



図1. (a). ピロータイト型結晶構造。六方晶NiAs型構造をa軸とc軸に2個ずつ積み上げたような構造である。(b) Fe (Cr)の層に着目すると、1層おきに空孔が規則的に配列している。高温からの急冷でその空孔の配置が不規則化し、磁化補償温度が制御可能であることが本研究で明らかになった。



図2. (a) 1150 ℃ (1423 K)、および(b) 1050 ℃ (1323 K)にて焼結し、急冷 (WQ)して得た試料の組織。数十ミクロンの結晶が凝集して数百ミクロンの粒を形成している。析出物相は見られず、X線回折測定の結果と合わせて単相であることが分かる。



図3. 1050 ℃（1323 K）から急冷（WQ）して得た試料の磁化曲線。特に5 Kで測定を行った磁化曲線では非常に大きなヒステレシスが観測され、保磁力は38 kOeであることが分かる。

研究の背景

現代の情報社会を支える磁気ストレージや半導体デバイスのさらなる大容量化・省電力化に向け、「スピン（電子の磁石としての性質）」と「電荷（電気の流れ）」を同時に利用するスピントロニクス技術が注目を集めています。近年、デバイスの超高密度化に伴い、素子同士の磁気的な干渉（漏れ磁場による誤作動）を防ぐため、「マクロな磁化がゼロ（または極めて小さい）」でありながら「高いスピン分極率」を持つ材料の探索が世界中で進められていました。

研究の内容

東北大学をはじめとする研究グループは、以前に理論的・実験的に発見していた鉄・クロム硫化物 (Cr,Fe)₇S₈に着目しました。本研究では、その特性を最大限に引き出すための製造プロセス（焼結・急冷条件）の最適化に挑みました。
1323 Kおよび1423 Kという高温域からの急冷（WQ）を行うことで、不純物（スピネル相）の析出を完全に抑え、綺麗な「単相」を得ることに成功しました。さらに、急冷温度を変えることで、結晶内の「原子の隙間（空孔）」の規則性をナノレベルで制御できることを見出しました。それにより、1323 Kから急冷した試料では、磁化がゼロになる温度（磁化補償温度）が約200 Kだったのに対し、1423 Kからの場合は約90 Kと100 K以上も変化しました。つまり、磁化補償温度を急冷プロセスでチューニング可能であることを突き止めました
また、1323 Kから急冷した試料は、5 Kにおいて38 kOe（キロエルステッド）という驚異的な磁気保磁力を示しました。これは、一度書き込んだ磁気情報が外部の強力な磁場によっても簡単に破壊されない、極めて強固な安定性を持つことを意味します。
第一原理計算（Akai-KKR）を用いた電子状態の計算により、本物質が一方のスピンの電気伝導性のみを100%近く通す「ハーフメタル型電子状態」を有していることを示しました。
本成果の最大のポイントは、「鉄・クロム・硫黄」という極めてありふれた（安価かつ地殻中に豊富な）元素の組み合わせで、これほど特殊な次世代機能（巨大保磁力・補償型フェリ磁性・ハーフメタル型電子状態）を発現させた点にあります。また近年、磁性物理学のトレンドとなっている「オルターマグネット（Altermagnets）」や「補償型フェリ磁性体」の議論に一石を投じる学術的価値があります。

本研究成果が社会に与える影響(本研究成果の意義)

研究グループは、すでに本物質の「単結晶」の合成にも成功しており、今後は結晶の方位による磁気異方性や、実際のデバイス動作に直結する電気伝導・スピン輸送特性の評価を進める予定です。これにより、漏れ磁場が一切なく、熱に強く、超高速で動作する次世代MRAM（磁気抵抗メモリ）などの実用化の促進に貢献することが期待されます。

論文情報

タイトル：Fully Compensated Ferrimagnetic Properties of (Cr,Fe)S Compound with a Pyrrhotite-type Structure
著者：Weida Yin, Masato Miyakawa, Satoshi Semboshi, Noriharu Yodoshi, Akira Masago, Yosuke Kawahito, Tetsuya Fukushima, Hisazumi Akai and Rie Y. Umetsu*
*責任著者：東北大学金属材料研究所　教授　梅津理恵
掲載誌：Small
DOI：10.1002/smll.74603
URL：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.74603
本研究は、東北大学、島根大学、九州大学、海洋研究開発機構（JAMSTEC）、大阪大学、産業技術総合研究所（AIST）、株式会社アカデメイアなどの緊密な共同研究体制のもとで行われました。また、文部科学省科学研究費補助金（JP22H00287、JP26H02191）の支援を受けるとともに、第一原理計算についてはJAMSTECの「地球シミュレータ」を用いて実施されました。