第48回日本磁気学会サマースクール

本講義では、磁気工学の基礎として磁性体の基本的な事柄について概説する。具体的には、代表的な磁性の種類、電子による磁気モーメントおよび複数個の電子からなる原子の磁気モーメント、代表的な磁性体である常磁性体および強磁性体の磁気的性質について述べる。また、強磁性体を応用する際に重要となる磁区構造、磁化過程およびヒステリシス曲線について述べる。

ハード磁性材料（永久磁石）は、電気自動車や産業用機器のモーター、ハードディスクドライブのVCMやスピンドルモーター、風力発電機などに幅広く使用されている。とくに電力の半分を使っているモーターの基幹部品であり、省エネおよび経済安全保障の観点からもたいへん重要である。この講座では永久磁石の種類、磁気特性、製法など基礎的事項を磁気工学的側面から概説するとともに、磁石の開発ヒストリーにも触れながら材料研究の魅力を伝えたい。

本講義では，磁気異方性が低く、磁化し易いソフト（軟）磁性材料について基礎的な観点からそれらの静的磁化過程、磁気異方性および動的磁化過程（周波数特性）を説明する。また、各種軟磁性材料を紹介し、デバイス応用の観点から材料選択に関する考え方について紹介する。

磁性薄膜では表面や界面の効果によりバルク材料にはみられない特異な磁性を発現する。これらを利用することで、磁気記録やスピントロニクスデバイスをはじめとする磁気・スピンデバイスの高性能化が図られている。本講義では磁性薄膜の作製方法と評価方法について、その原理と特徴を述べ、磁性薄膜特有の物性である垂直磁気異方性、層間相互作用などを、そのメカニズムを含めて説明する。

本講義ではパワーエレクトロニクス用の磁気部品（インダクタ・トランス）の基本から応用技術まで概説する。パワーエレクトロニクスにおいては様々な工学分野を跨ぐ分野であり、化合物半導体デバイスの利用や、電動化された移動体の市場拡大の背景に対して磁気部品の更なる高性能化が求められている。 本講演では、パワエレ磁気系部品の小型化、高放熱化、低ノイズ化に焦点をあてた最新技術も合わせて紹介する。

「磁気を制する者はパワエレを制す」と言われ、インダクタやトランスは、電気システムの高効率化や小型軽量化を左右し、インダクタやトランスを扱うスイッチング電源やパワーエレクトロニクスは、あらゆる電気システムに用いられ、AI革命やEV進化を支えている。インダクタやトランスは、複数の要素が複雑に絡み合い、性能を最大化する最適化の技術難易度は非常に高い。産業で役立つ実用技術を教える大学や書籍はほとんどない。 本講義では、インダクタやトランスに関して、電気や磁気の基礎から、産業で役立つ応用まで、重要な技術を分かり易く解説する。

我々の体の中では、神経活動に伴う電流によって磁場が発生している。脳や心臓から発する微弱な生体磁場を計測することで、脳疾患や心不全の診断が可能である。また、体外から交流磁場を印加し、体の中に誘導電流を流すことで、神経活動を刺激する治療も可能である。さらに、生体へと投与可能な磁性ナノ粒子を用いることで、がんの診断や治療も可能となる。本講義では、生体磁気に関する原理および具体的な応用例について紹介する。

本講義ではスピントロニクス分野の応用デバイスとそれにかかわる現象を中心に概説する。スピントロニクスは電子の有する電荷に加えスピンの自由度を同時に活用する研究分野であり、ハードディスク（HDD）の磁気ヘッドや情報不揮発性の固体メモリであるMRAMなどに応用され、私たちの身近なところでその技術が活躍している。スピントロニクスはナノテクノロジーの発展とともに2000年頃から急速に発展を遂げ、現在ではスピンが関わる広い物理現象を含むようになったため本講義ですべてを扱うことは難しい。このため、応用に重要な役割を果たしてきた磁気抵抗効果、磁化状態の制御方法（スピントルク）、主なスピントロニクス材料について要点を絞って説明する。

本講義では、ハードディスクドライブの大容量化を支える垂直磁気記録技術の基礎を解説する。はじめに、ハードディスクにおける情報の記録と再生の仕組みを要説し、磁気記録のトリレンマとして知られる技術的課題について説明する。次に、エネルギーアシスト磁気記録やパターン媒体記録など、この課題を克服するために現在検討されている次世代の記録技術について概説する。

本講義では、比較的高感度な磁気センサについて、その基礎と応用について解説する。応用については、地磁気の様な磁気を直接検出する以外に、電流・角度・位置・金属の破断、金属異物の有無・生体信号等、多種多様な用途があり、できるだけ幅広く説明する。又、スピントロニクスセンサの一つであるTMRセンサの最新状況について紹介する。

将来の情報処理技術に向けて、量子コンピュータなどの量子技術が期待されている。量子技術においては、量子状態を精密に制御し、観測することが必要であり、これらの技術が成熟し、人工的な量子系を実現し活用できるようになってきている。本講義では、半導体微細構造などの人工系における量子現象について、基礎的なところから説明する。また、これらを応用し、半導体量子ドット中の電子スピン量子状態による量子ビットなどについて紹介する。

本講義では、データサイエンスを材料開発に応用するマテリアルズ・インフォマティクスに関して概説する。前半は、材料開発における４つのインフォマティクス（マテリアルズインフォマティクス、プロセスインフォマティクス、計測インフォマティクス、物理インフォマティクス）を簡単に紹介する。後半は、データサイエンスと材料実験とロボティクスを組み合わせた自律材料探索技術を紹介し、磁性材料を中心にその応用事例を述べる。