磁性ガーネット薄膜、特にセリウム置換イットリウム鉄ガーネット（Ce:YIG）は、優れた磁気光学効果を示すため、情報通信・処理デバイスへの応用が期待されています。これらのデバイスでは、膜面に垂直な磁化配向（垂直磁気異方性）が重要です。従来、Ce:YIG薄膜の垂直磁気異方性は、基板と薄膜の格子定数差によって生じる格子ひずみ（弾性磁気異方性）で制御されると考えられ、基板選択が材料設計の自由度を制約していました。

TI-FRISフェロー・後藤太一准教授（東北大学電気通信研究所）ら、東北大学、豊橋技術科学大学、信越化学工業株式会社、マサチューセッツ工科大学による国際共同研究グループは、イオンビームスパッタ法を用いて、格子定数の異なる2種類のガーネット基板上にCe:YIG膜を成膜しました。両薄膜は逆符号の格子ひずみ状態にあるにもかかわらず、いずれも明瞭な垂直磁気異方性を示しました。詳細な解析の結果、成長誘導磁気異方性の寄与が弾性磁気異方性の寄与を1桁上回ることが明らかになりました。X線回折測定により、セリウムとイットリウムの原子配列に規則性があることを確認し、これが成長誘導磁気異方性の起源であることを実証しました。

本成果は2025年11月25日（現地時間）、米国化学学会が発行する国際専門誌ACS Applied Optical Materialsに掲載されました。

図：デバイス応用に適した微細磁区構造の観察
(a) 偏光顕微鏡の測定系概略図。波長470 nmのレーザー光を用いて、Ce:YIG薄膜の磁区構造を観察した。(b) 観察された典型的なラビリンス状磁区パターン。(c) 磁区の線プロファイルとボルツマン・シグモイド関数によるフィッティング結果。磁区幅は約219 nm、磁壁幅は約169 nmと決定された。(d) 面直磁化曲線と初期磁化曲線（緑線）。(e)～(m) 外部磁場印加による磁区構造の変化。磁区幅は従来報告されていた10～100 mmよりも大幅に小さく、磁気光学回折デバイスやスピントロニクスデバイスなど、微細磁区構造を必要とする次世代デバイスへの応用に適した構造である。

論文情報：

タイトル：Magnetotaxial Perpendicular Magnetic Anisotropy and Enhanced Faraday Rotation in Ion Beam Sputtered Cerium-Substituted Yttrium Iron Garnet

著者：Taichi Goto*, Takumi Koguchi, Yuki Yoshihara, Hibiki Miyashita, Kanta Mori, Toshiaki Watanabe, Allison C. Kaczmarek, Pang Boey Lim, Mitsuteru Inoue, Caroline A. Ross, Kazushi Ishiyama

*責任著者：東北大学　電気通信研究所　准教授　後藤太一

掲載誌：ACS Applied Optical Materials

DOI: 10.1021/acsaom.5c00496

https://doi.org/10.1021/acsaom.5c00496