Tb－Coアモルファス薄膜の４つの磁気補償点の発見
－磁性体の応用に新しい視点－

2025年6月10日
群馬大学
量子科学技術研究開発機構
信州大学
高輝度光科学研究センター

● Tb－Coアモルファス薄膜の円偏光X線磁気コンプトン散乱測定を行い磁気補償、角運動量補償、スピン磁気補償、軌道磁気補償の少なくとも4つの補償点があることを明らかにした。
●これまで磁気補償、角運動量補償については、垂直磁化、高速磁化反転との関連が注目され研究が進められてきた。今回新たに見出したスピン磁気補償、軌道磁気補償に着目した研究を進めることで、電界駆動・電流駆動磁化反転などに関連したスピントロニクスデバイス開発の進展が期待される。
●本研究は群馬大学、量子科学技術研究開発機構、信州大学、高輝度光科学研究センターとの共同研究であり、大型放射光施設SPring-8の高輝度・高エネルギーX線の利用によって可能になった。

群馬大学（学長：石崎泰樹）の櫻井浩教授・高橋学教授、量子科学技術研究開発機構（理事長：小安重夫。以下「QST」）の安居院あかね上席研究員、信州大学（学長：中村宗一郎）の劉小晰教授、高輝度光科学研究センター（理事長：雨宮慶幸）の辻成希主幹研究員らの研究グループは、磁気コンプトン散乱測定を利用し、磁気デバイス材料であるTb－Coアモルファス薄膜において、磁化がゼロとなる磁気補償、角運動量がゼロとなる角運動量補償、スピン磁化がゼロとなるスピン磁気補償、軌道磁化がゼロとなる軌道磁気補償の少なくとも4つの補償点があることを見出しました。これまで、磁気補償に着目した垂直磁気記録に関する研究、角運動量補償に着目した高速磁化反転に関する研究が進められてきました。新たに見出した軌道角運動量補償あるいはスピン角運動量補償に着目した研究が進めば、電界で軌道磁気モーメントを制御する電界駆動の磁気メモリーや電流のスピントルクで磁壁駆動できるレーストラックメモリーなどの開発に資する可能性があります。本研究で見出した4つの補償点の関係は、各補償点に関連した材料の機能を活用したスピントロニクスデバイスの設計に指針を与えると期待されます。なお、大型放射光施設SPring-8の高輝度・高エネルギー・円偏光X線を用いることで、初めてこの測定が可能になりました。 図　TbxCo100-xアモルファス薄膜の4つの磁気補償点の組成比依存性。 磁化がゼロとなる磁気補償組成Xcon、 角運動量がゼロとなる角運動量補償組成XJ、スピン磁気モーメントの総和がゼロとなるスピン磁気補償組成Xspin、 軌道磁気モーメントの総和がゼロとなる角運動量補償組成Xorbitalの温度変化。Xorbital (T) < XJ (T) < Xcon (T) < Xspin (T)であることがわかる。 論文情報 雑誌名: Journal of Magnetism and Magnetic Materials 題名 :Four compensation points in TbxCo100-x amorphous films 著者：Akane Agui, Akino Harako, Naruki Tsuji, Xiaoxi Liu, Kazushi Hoshi, Kosuke Suzuki, Manabu Takahashi, Hiroshi Sakurai DOI：10.1016/j.jmmm.2025.173248

一般に磁性体はマクロな磁化測定^（注1）で評価されていますが、我々はミクロスコピックな磁性の起源となる構成元素、スピン磁気モーメント、軌道磁気モーメントに着目しTb－Coアモルファス薄膜の磁気補償について研究を進めてきました。Tb－Coアモルファス薄膜は、スペリ磁性^（注2）とよばれる特殊な磁気構造を有しており、Co原子とTb原子の磁気モーメントは互いに逆を向いているため、特定の組成で薄膜の磁化がゼロとなります。この現象は磁気補償と呼ばれ、その組成近傍では高密度磁気記録に有効な垂直磁化が観測されます。スピン磁気モーメントは電子のスピン角運動量に起因し、軌道磁気モーメントは電子の軌道角運動量に起因します。スピン角運動量と軌道角運動量の総和がゼロとなる角運動量補償組成では、磁気記録時間を短縮できることが知られています。これら良く知られた磁気補償と角運動量補償に加え、スピン磁気モーメントの総和がゼロとなるスピン磁気補償組成や、軌道磁気モーメントの総和がゼロとなる軌道磁気補償組成で、電流のスピントルクによる磁壁駆動や電界による軌道磁気モーメント制御との関連を見出せる可能性があります。また、4つの磁気補償点の関係を把握することにより、垂直磁化、高速磁化反転、電流駆動・電界駆動磁化反転など各補償点に関連した材料の機能を活用したスピントロニクスデバイス^（注3）の設計に指針を得ることができます。しかしながら、スピン磁気補償と軌道磁気補償の実験的報告はなく、磁気補償、角運動量補償、スピン磁気補償、軌道磁気補償の関係については明らかではありませんでした。

今回の研究では、組成xを変えた7種類のTb_xCo_100-xアモルファス合金薄膜（12＜x＜23）を信州大学で作製しました。群馬大学のSQUID磁力計で磁化測定を行い、高輝度光科学研究センターの協力のもとQST、群馬大が大型放射光施設SPring-8^（注4）のBL08Wで磁気コンプトン散乱測定^（注5）を行いました。各組成の試料について、10KX_con、角運動量がゼロとなる角運動量補償組成X_J、スピン磁気モーメントの総和がゼロとなるX_spin、軌道磁気モーメントの総和がゼロとなるX_orbitalの4つの磁気補償組成が存在すること、それらの磁気補償組成は温度変化し、X_orbital (T) < X_J (T) < X_con (T) < X_spin (T)の関係にあることを見出しました（図）。
特に本研究で新たに指摘したスピン角運動量補償点あるいは軌道角運動に関する知見は、電流のスピントルクで磁壁駆動できるレーストラックメモリー^（注6）や電界で軌道磁気モーメントを制御する電界駆動の磁気メモリーの開発に資すると考えられます。本研究で示された4つの補償点補償点を独立に制御したり、組み合わせて制御したりすることで、材料の機能をより活用したスピントロニクスデバイスの設計指針が得られると期待されます。なお、大型放射光施設SPring-8の高輝度・高エネルギー・円偏光X線を用いることで、初めてこの測定が可能になりました。

本研究で示された4つの補償点に関する知見は、電流駆動磁壁移動時に僅かな電流で磁壁駆動ができる超低消費電力のレーストラックメモリー、電界で軌道磁気モーメントを制御する電界駆動磁気抵抗メモリー（MRAM）、スピン流の検出（スピンホール効果）を用いたTHzのセンサーの開発など、スピントロニクスデバイス開発のブレークスルーにつながると期待されます。さらに、3GeV高輝度放射光施設NanoTerasu^（注7）で開発される高性能の軟X線磁気円二色性吸収測定装置を活用することで、広汎な新磁性材料の局所磁気補償の解明が大きく進展すると期待されます。

本研究は日本学術振興会(JSPS) 科研費 基盤研究(C) 15K04658, 19K04464、基盤研究(B) 22H02103、国際共同研究強化(B) 21KK0095からの支援を受けて行われました。

【用語解説】

燃料電池材料開発を支える新たな放射光実験データベースを構築
～高品質な実験データ管理で加速するデータ駆動型材料研究～

2025年5月15日
高輝度光科学研究センター

●燃料電池材料研究を支援する放射光実験データベース「FC-BENTEN」を構築
　→ 測定・分析手法の体系的な整理により、高品質なデータの効率的な管理・共有を実現
●メタデータ^※１設計と自動化ツールの導入により、データの再利用性・相互運用性を向上
　→ マテリアルズ・インフォマティクス（MI）^※２と連携に向けた基盤を整備
●実験データ活用の高度化により、高性能燃料電池材料の設計・開発を加速

燃料電池材料の開発においては、性能や耐久性を左右する複雑な構造や化学状態を高精度に評価することが求められます。特にSPring-8における放射光施設を活用した分析手法は、その詳細な情報取得に有効ですが、実験データの再現性確保や共有・活用のための体系的な仕組みはこれまで不十分でした。こうした状況の中、データの質と活用性を高め、マテリアルズ・インフォマティクス（MI）との連携も視野に入れたデータベースの整備が強く求められていました。

本研究では、燃料電池材料の研究開発を支援する放射光実験データベース「FC-BENTEN」を構築しました。XAFS、HAXPES、XRD、PDF、SAXSなど多様な放射光測定手法に対応し、メタデータの体系化と自動化された登録ツールにより、高品質なデータを効率的に管理・共有できる仕組みを実現しています。これにより、材料開発における分析プロセスの信頼性とデータ再利用性が飛躍的に向上しました。

本データベースでの取り組みを通じて得られた知見は、今後の燃料電池材料研究における実験データの蓄積や活用を考えるうえで、有用な手がかりとなると期待されます。今後は、情報科学的手法の活用なども視野に入れながら、データ駆動型材料研究の発展を支える基盤として、より効率的な材料研究を支援していくことが期待されます。

SPring-8に設置されたXAFS、HAXPES、XRD、PDF、SAXSなどの多様な放射光測定装置による実験データは、FC-BENTENデータベースに集約されます。データは、試料、測定、解析に関する一貫したメタデータとともに管理され、マテリアルズ・インフォマティクス（MI）との連携を可能にします。こうした高品質な実験データは、FC-Platform^※８における燃料電池（PEFC^※９）材料の評価・解析に活用され、例えばPt触媒の粒子径に関するXRDとSAXSの相関解析など、材料開発の加速に貢献します。

図2　FC-BENTENのウェブインターフェース。左側にディレクトリ構造を表示し、キーワード検索で目的のデータを素早く探せます。右側にはファイル一覧やプレビューが表示され、視覚的にデータ内容を確認できます。

本成果はNEDOの「燃料電池等利用の飛躍的拡大に向けた共通課題解決型産学官連携研究開発事業」（プロジェクトトコード P20003）の助成を受けて実施されました。

【用語解説】

クリプトクロム光受容タンパク質による光応答シグナル伝達の中間体構造を解明

2025年5月17日
大阪大学
東北大学
高輝度光科学研究センター

◆青色光受容タンパク質であるクリプトクロムが光を検知した後の中間体構造を経時的に解析することで、クリプトクロムの光応答機構の詳細を解明
◆クリプトクロムに内包されるフラビン補酵素（FAD）の光還元反応に伴い、FAD近傍とFAD遠位にて独立に構造変化が起こることで、シグナル伝達を担う分子構造へと遷移することを発見
◆クリプトクロムの構造-機能相関の理解が深まり、今後の人工光遺伝学ツール開発の発展に貢献

台湾大学のManuel Maestre-Reyna助理教授、ドイツ・フィリップ大マールブルグのLars-Oliver Essen教授、大阪大学大学院基礎工学研究科の山元淳平准教授、台湾中央研究院・生物化學研究所の蔡明道特聘研究員らは、理化学研究所の別所義隆客員研究員、公益財団法人高輝度光科学研究センターの大和田成起主幹研究員、東北大学の南後恵理子教授、京都大学の岩田想教授、兵庫県立大学の當舎武彦教授、名古屋大学の梅名泰史准教授、およびグルノーブル・アルプ大学、欧州シンクロトロン放射光研究所の研究者らとの国際共同研究にて、緑藻類をはじめとした植物やハエの内に存在する青色光受容タンパク質であるクリプトクロムの、光受容後10ナノ秒から233ミリ秒にわたる中間体の立体構造を解明しました（図１）。 植物の生育やシグナル伝達・概日リズム形成などに関与する青色光受容型クリプトクロムは、発色団であるフラビンアデニンジヌクレオチド※1の光還元反応※2によって下流因子へとシグナル伝達すると考えられていましたが、その詳細な分子機構については解明されていませんでした。 今回、研究グループは、X線自由電子レーザー（XFEL）※3施設SACLA※4のBL2ビームラインを用いて、クリプトクロムの微結晶を対象とした時分割シリアルフェムト秒X線結晶構造解析（TR-SFX）※5を実施しました。その結果、光受容後のクリプトクロム中間体の三次元立体化学構造を明らかにし、光還元反応がタンパク質中に引き起こす構造変化がシグナル伝達の鍵であることを解明しました。これにより、人工光遺伝学ツールの開発応用が期待されます。 本研究成果は、米国科学誌「Science Advances」に、5月17日（土）に公開されました。 図１ 青色光受容クリプトクロムの光応答反応の概要 【山元准教授のコメント】 長年クリプトクロムが属するタンパク質ファミリーの研究を行ってきましたが、タンパク質そのものの動きを原子分解能で可視化してその動きの意味を説明できた時は、自然界の奥深さに大変感動しました。SACLAでの測定は半年に一度しか機会がなく、コロナ禍で実験参加可能人数が限られる中、工夫・改善・議論を繰り返して実験・解析手法を確立し、本成果につながりました。共著者一人一人の貢献が明確にあり、本プロジェクトに関与した全ての研究者の皆様に感謝しています。 論文情報 雑誌名: Science Advances 題名 :Capturing structural intermediates in an animal-like cryptochrome photoreceptor by time-resolved crystallography 著者：Manuel Maestre-Reyna*, Yuhei Hosokawa, Po-Hsun Wang, Martin Saft, Nicolas Caramello, Sylvain Engilberge, Sophie Franz-Badur, Eka Putra Gusti Ngurah Putu, Mai Nakamura, Wen-Jin Wu, Hsiang-Yi Wu, Cheng-Chung Lee, Wei-Cheng Huang, Kai-Fa Huang, Yao-Kai Chang, Cheng-Han Yang, Meng-Iao Fong, Wei-Ting Lin, Kai-Chun Yang, Yuki Ban, Tomoki Imura, Atsuo Kazuoka, Eisho Tanida, Shigeki Owada, Yasumasa Joti, Rie Tanaka, Tomoyuki Tanaka, Jungmin Kang, Fangjia Luo, Kensuke Tono, Stephan Kiontke, Lukas Korf, Yasufumi Umena, Takehiko Tosha, Yoshitaka Bessho, Eriko Nango, So Iwata, Antoine Royant, Ming-Daw Tsai*, Junpei Yamamoto*, Lars-Oliver Essen* DOI：10.1126/sciadv.adu7247

ギリシャ語で「隠れた色素」を意味するクリプトクロムは、植物の生育やシグナル伝達・概日リズム形成などに関与する多機能タンパク質です。その内、青色光に応答して機能するものはフラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）をタンパク質内部に有しています。タンパク質中のFADが光によって励起されると、FAD近傍に存在する芳香族アミノ酸側鎖から電子を獲得し、一電子還元状態のアニオン型FADラジカル（FAD^•–）と一電子酸化状態のアミノ酸側鎖ラジカルを1ナノ秒以内に生成します。
この光還元反応によって生成するラジカル対はクリプトクロムの光応答機能に関与することが知られていましたが、光還元反応がどのように機能発現につながるのかは不明でした。

今回、研究グループは、青色光受容クリプトクロムの一つであるクラミドモナス由来動物型クリプトクロム（CraCRY）の微結晶をターゲットとし、まずは異なるFAD酸化状態を有するCraCRYの三次元構造をSACLAにて明らかにしました。酸化状態（FAD_ox）および二電子還元状態FAD（FADH^–）を有するCraCRYでは全体構造は概ね一致しました。一方で、一電子還元状態中性FADラジカル（FADH^•）を有するCraCRYはC末端領域において電子密度の喪失が認められ、この部分の構造を決定することができませんでした。このことから、FAD_oxからFADH^•への変化に伴うタンパク質構造変化が光応答機能発現の鍵となることを見出しました。
続いて、FAD_oxを有するCraCRY微結晶を用いて、光励起後10ナノ秒から233ミリ秒における反応中間体の三次元構造をTR-SFXによって解明しました。その結果、(i) FAD近傍、(ii) FADに隣接する溶媒露出部位、および(iii) C末端領域の3箇所が、異なる時間領域で構造変化することがわかりました（図２）。まず、FAD^•–の形成に応じてFAD近傍が構造変化し、その後マイクロ秒以降に溶媒露出部位において逐次的に構造変化が起こることで、FAD^•–のプロトン化産物であるFADH^•の形成を時空間的に制御することを見出しました。また、FAD光還元反応によって生じる一電子酸化状態のアミノ酸側鎖ラジカルの近傍にはC末端領域が存在し、ラジカルの形成によってC末端領域とタンパク質本体をつなぐ塩橋が崩壊することで、C末端領域の構造変化が独立して誘起されることを明らかにしました。これらのデータから、クリプトクロムが光に応答して下流因子へとシグナル伝達を担う構造へと遷移する分子機構を解明しました。

本研究では、青色光受容クリプトクロムが光を検知した後の構造を経時的に解析することで、クリプトクロムの光応答機構の詳細な描像を与えることができたことから、基礎科学の理解に大きく貢献します。
また、クリプトクロムはオプトジェネティクス（光遺伝学）のツールの一つとなりうることが示唆されており、今回の研究から、より高活性な人工光遺伝学ツールの創成などへの応用研究への道が開けました。

なお、本研究は、主に日本学術振興会 科学研究費助成事業新学術領域研究（研究領域提案型）「二元機能性青色光受容タンパク質の光応答機構」（代表者：山元淳平）、同基盤研究（C）「ＤＮＡ光回復酵素フォトリアーゼのＸＦＥＬ時分割結晶構造解析」（代表者：別所義隆）、JST創発的研究推進事業（FOREST）「DNA修復反応の動的構造解析基盤の創出」（代表者：山元淳平）、日本医療研究開発機構（AMED）の生命科学・創薬研究支援基盤事業（BINDS）（代表者：岩田想、分担者：南後恵理子）による助成を受けて行われました。

【用語解説】

絶縁体の正体を暴く！
〜 磁気秩序の“指紋”を量子ビームで可視化 〜

2025年5月12日
甲南大学
大阪公立大学
大阪大学
理化学研究所
立命館大学
摂南大学
日本大学

●光電子分光実験により、モット型・スレーター型絶縁体の識別を初めて実証：光電子分光^※１スペクトルに現れる特徴的な構造の変化から、反強磁性絶縁体がモット型かスレーター型^※2かを区別する新手法を確立しました。
●理論計算により非局所的応答の起源を解明し、実験を再現：LDA+DMFT法^※3を用いたシミュレーションにより、光電子放出時に起こる非局所的スクリーン効果の違いが、磁気秩序のタイプと対応することを理論的に明らかにしました。
●量子材料や省エネデバイス開発への応用に期待：絶縁体の性質を正確に見分けられる本手法は、スピントロニクスや量子情報処理に必要な機能性材料の探索・設計に役立つと期待されます。

遷移金属酸化物において絶縁性が現れるメカニズムには、電子間の強い相互作用による「モット機構」と、磁気秩序によってバンド構造が変化する「スレーター機構」が知られています。しかし、実際の物質においてこれらを実験的に区別することは難しく、広く普及している価電子帯光電子分光法では解明が困難でした（図2）。本研究では、互いに似た構造を持つSr₂IrO₄と Sr₃Ir₂O₇という2種類のイリジウム（Ir）酸化物をモデル物質として、内殻光電子分光実験を行い、スペクトルの温度変化を理論計算（LDA+DMFT）に基づき詳細に解析することで、スペクトル形状の変化がモット型かスレーター型かの“指紋”を持つことを明らかにしました（図3）。ここで“指紋”とは、非局所的な電荷応答（nonlocal screening）に由来するスペクトルの変化を意味します。これにより、これまで難しかった磁気秩序と絶縁化の起源の識別が可能になりました。

図1．スレーター絶縁体とモット絶縁体の概念図。図では、物質中の無数の価電子を水で表現し、電気伝導を担う電子を白い球で表しています。また、電子が収容されるエネルギーバンドを容器で表現しています。通常の金属（中央）では、バンドが途中まで電子で満たされているために電子が移動することができ、電流が流れます。一方、スレーター絶縁体（左）では、磁気秩序によりバンド構造が変化して電子によって完全に満たされたバンドと空になったバンドに分かれるため、移動できる電子がなくなります。モット絶縁体（右）では、電子間の反発によって電子はその場にとどまって動けなくなります。

図2．（上）モット絶縁体とスレーター絶縁体での電気的・磁気的性質とその温度変化。実験を行った2つの温度のうち高温側では、2つの物質の電気的性質が異なります。（左下・右下）電気的性質を調べる従来の手法である価電子帯光電子分光の結果。電気的性質の変化は結合エネルギーがゼロでの強度の変化として観測されることが期待されますが、Sr₂IrO₄とSr₃Ir₂O₇では温度の変化に対してスペクトルの変化がほとんど見られない（左下）か、温度上昇による外因的な影響に覆い隠されてしまい（右下）、これらの物質がモット型かスレーター型かを判断することは困難でした。

図3．（上）光電子分光実験の模式図と（下）重要な結果である2つのイリジウム酸化物（Sr₂IrO₄と Sr₃Ir₂O₇）が常磁性を示す300K（摂氏27度）と反強磁性を示す100K（摂氏マイナス173度）での光電子スペクトル、および、その差分スペクトル。モット絶縁体であるSr₂IrO₄では肩構造A付近での差分スペクトル強度（緑線）が負であるのに対して、スレーター絶縁体であるSr₃Ir₂O₇では正になっており、明確に区別することができます。

甲南大学：硬X線光電子分光実験、データ解析、論文執筆（責任著者）
大阪公立大学：高精度電子構造計算コード開発および同計算実施、論文執筆
大阪大学、立命館大学、摂南大学：硬X線光電子分光実験手法開発および同実験実施
理化学研究所：高輝度X線ビームラインおよびX線光学系開発
日本大学：高純度単結晶試料の作製および評価

【用語解説】