広報活動

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2013年9月9日

独立行政法人理化学研究所
国立大学法人東京大学
独立行政法人物質・材料研究機構

電子スピンの渦「スキルミオン」のサイズと渦の向きを自在に制御

-スキルミオンを記録ビットとする省電力メモリ素子の実現に前進-

スキルミオン

Mn1-xFexGeにおける組成とスキルミオンサイズ

ローレンツ電子顕微鏡法で観察したスキルミオンの様子(a)と組成分析によるFeの割合の分布(b)、及び(a)と(b)から得られた組成とスキルミオンのサイズの関係 (c)

電子は、電気の源である「電荷」と磁石の源である「スピン」を持っています。スピンの向きを記録ビット(コンピューターが扱う情報の最小単位)として利用しているのがハードディスクなどの磁気メモリ素子です。一般にスピンを利用したメモリ素子は電源供給がなくても情報を保持できる利点を持ちますが、現行のものの多くは構造上処理速度が遅いという難点を抱えています。そのため、スピンの集まりである磁気構造体を電流で動かし情報を読み書きする新しい機構で、高速動作する磁気メモリ素子を実現しようという研究が盛んに行われています。

最近発見された「スキルミオン」は、電子スピンが渦状に並んだ磁気構造体です。スキルミオンは他の磁気構造体に比べ10万分の1程度の微小電流で動かせるといった優れた特性を持ち、高速かつ省電力な次世代磁気メモリ素子の記録ビットとして注目を浴びています。しかし、スキルミオンを集積してメモリ素子に利用するにはスキルミオンのサイズや渦の向きを自在に制御することが求められます。

スキルミオンは、マンガンとゲルマニウムの化合物(MnGe)、鉄とゲルマニウムの化合物(FeGe)などで観測されていますが、両者では現れるスキルミオンのサイズが違います。理研の研究者を中心とした共同研究グループは、これらを混ぜ合わせることで、さまざまなサイズのスキルミオンが作れるのではないかと考えました。そこで、マンガン、鉄、ゲルマニウムの化合物「Mn1-xFexGe」をつくり、組成とスキルミオンのサイズの関係を調べました。その結果、スキルミオンのサイズは5~200ナノメートルまで連続的に変化すること、渦の向きはマンガンと鉄の濃度比が1:4になったときを境に反転することが分かりました。

今回、電子が持つスピンと、電子の原子核の周りの軌道角運動量との間の相互作用「スピン軌道相互作用」の効果が、スキルミオンのサイズと渦の向きを決める要素であることを、実験的に示すことに成功しました。これは、物質中の電子状態の変化を利用してスキルミオンの構造を制御できる可能性を示すもので、スキルミオンを記録ビットとする次世代磁気メモリ素子の開発に大きな役割を果たすことが期待されます。

理化学研究所
創発物性科学研究センター 強相関物理部門 強相関物性研究グループ
研修生 柴田 基洋 (しばた きよう)
グループディレクター 十倉 好紀 (とくら よしのり)