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

新しい高密度・低消費電力デバイスの実現に前進

-電子スピンの渦「スキルミオン」の制御法を理論的に解明-

ポイント

  • ナノ構造内で電流を流した時のスキルミオンのダイナミクスを解明
  • 今まで困難と考えられていたスキルミオンの効率的な生成方法を発見
  • スキルミオンを用いたメモリー、論理回路の設計へ道

要旨

理化学研究所(理研、野依良治理事長)は、電子スピンが渦状に並んだ磁気構造の「スキルミオン[1]」が、制限された空間(回路)で電流を流したときに現れる動的特性を、大規模なシミュレーションを用いて理論的に解明しました。また、回路に微小な切れ込み(狭窄構造)を作って電流を流すだけで、簡単にスキルミオンを生成できることも発見しました。これは、理研創発物性科学研究センター(十倉好紀センター長)強相関理論研究グループの永長直人グループディレクター(東京大学大学院工学系研究科教授)、東京大学大学院工学系研究科の岩崎惇一大学院生、青山学院大学理工学部物理・数理学科望月維人准教授らの共同研究グループによる成果です。

現在の半導体技術は、集積回路の線幅の微細化によって進歩し続けていますが、これ以上微細化することは難しく進歩の限界点が予想されているため、従来の技術とは全く異なる原理に基づいたデバイスを開発することが求められています。例えば、電子のスピンは、回転の向きによって2通り存在し、この向きを磁気によって操作し情報として利用する技術が注目されています。なかでも特定の温度・磁場下で電子が規則的に配列されるスキルミオンは、スピンの連続的な変化に対して安定な構造であり、ナノスケールで高密度に集積でき、かつ低消費電力化も見込めることから、次世代メモリーの有力な候補として注目を集めています。

共同研究グループは、制限された空間、つまり回路上でのスキルミオンの挙動をシミュレーションを用いて調べました。その結果、スキルミオンは、摩擦力などの因子の影響を強く受けること、また回路の端では一定以上の電流を流すとスキルミオンが消失することが分かりました。さらに、これまで困難とされていたスキルミオンの生成を、回路に微小な切れ込み(狭窄構造)を入れて電流を流すという極めてシンプルな方法で実現できることを示しました。

スキルミオンは、新しいタイプの高密度・低消費電力デバイスへの応用が期待されている磁気構造です。今回の結果は、スキルミオンを応用したデバイスを設計する際に基礎となる指針を理論的に提供し、スキルミオンメモリーおよび論理回路設計への新たな道を開きます。
本研究成果は、科学雑誌『Nature Nanotechnology』に掲載されるに先立ち、オンライン版(9月8日付け:日本時間9月9日)に掲載されます。

背景

現在の半導体技術は、集積回路の線幅の微細化によって進歩し続けていますが、10~20年後には、集積回路上のトランジスタは原子のサイズにまで到達すると予想されており、それ以上微細化することはできません。それが半導体技術の限界点だと考えられています。そこで、従来の技術とは異なる原理に基づいたデバイスを開発し性能を向上させることが、技術革新の1つの流れになっています。例えば、電子のスピンは、回転の向きによって2通り存在し、この向きを磁気によって操作し情報として利用する技術が注目されています。

1970~80年代に、次世代の磁気メモリーへの応用を目指して磁気バブル[2]が盛んに研究されました。しかし、サイズが磁気双極子相互作用[3]で決定されるためにミクロンスケールと大きく、また強いピン止め効果[4]のために制御が難しいという問題点もあり、実用化に向けた進展はありませんでした。このような状況の中、最近では、電流で強磁性体における「磁壁[5]」を駆動して磁気メモリーに応用しようとする研究が盛んに行われています。しかし、これには1010 ~1012A/m2という大きな電流密度が必要とされる点が課題となっています。こうした背景から、サイズがナノスケールで、かつ小さな電流密度で駆動できる磁気構造が強く求められています。

近年、カイラル磁性体[6]中においてスキルミオンと呼ばれる電子スピンが渦状に並んだ磁気構造体が発見され、大きな注目を集めています(図1)。特に、スキルミオンは制限されていない空間では106A/m2程度の電流密度で駆動することが分かっており、低消費電力な磁気メモリー開発への期待が高まっています。しかし、なぜ小さな電流密度で駆動するのか、その理由は分かっていませんでした。また、現在の実験技術では、回路のような制限された空間でスキルミオンの挙動を調べることは難しく、回路上でも同様に小さな電流密度で駆動するのか、また全く異なる特性が現れるのかどうかも不明でした。そこで、共同研究グループは、実用化を目指して回路上のダイナミクスの変化を予想するために、大規模なシミュレーションを用いて、制限された空間内でのスキルミオンの挙動を調べることに挑みました。

研究手法と成果

共同研究グループは、スキルミオンが回路のような制限された空間でどのような挙動をするのか、磁気構造の時間変化を記述する微分方程式「Landau-Lifshitz-Gilbert方程式[7]」を用いてシミュレーションしました。その結果、無限に広い空間での挙動とは全く異なって、ちょうど磁壁の場合と同じような挙動を示すことを発見ました。つまり、無限に広い空間の場合には摩擦力や不純物ピン止め効果にほとんど依らない電流-速度特性を示したのに対して、制限された空間である回路の場合にはこれらの因子の影響を強く受けることが明らかになりました。これは、挙動が1次元的に制限されるために起きた現象でした。さらに回路の端では、スキルミオンに反発力が働き、反発力を超える電流を流すとスキルミオンが消滅することが分かりました。また、これまで困難とされていたスキルミオンの生成を、回路に微小な切れ込み(狭窄構造)を入れて電流を流すという極めてシンプルな方法で実現できることを示しました(図2)

今後の期待

スキルミオンは、新しいタイプの高密度・低消費電力デバイスへの応用が期待されている磁気構造です。今回の成果は、スキルミオンを応用したデバイスを設計する際に基礎となる指針を理論的に提供したといえます。パラダイムシフトをもたらす技術革新の可能性が一層高まりました。

今後は、カイラル磁性体や磁性体界面構造で、スキルミオンを室温で実現する物質系の開拓と、100ナノメートル程度の構造にスキルミオンを閉じ込めて、電流や光照射によって制御する方法の開発が求められます。特に、磁性体の界面構造に起因する強いスピン軌道相互作用[8]を用いてスキルミオンを実現できる可能性があり、そこではナノスケールの制御も期待できます。さらに、スキルミオンを用いた論理回路の設計・開発も並行して推進することで、新しいタイプの高密度・低消費電力デバイスの実現に近づきます。

原論文情報

  • Junichi Iwasaki, Masahito Mochizuk, and Naoto Nagaosa
    "Current-induced skyrmion dynamics in constricted geometries".
    Nature Nanotechnology  2013   doi: 10.1038/NNANO.2013.176

発表者

独立行政法人理化学研究所
創発物性科学研究センター 強相関物理部門 強相関理論研究グループ
グループディレクター 永長 直人 (ながおさ なおと)

お問い合わせ先

創発物性科学研究推進室
Tel: 048-467-9258 / Fax: 048-465-8048

報道担当

独立行政法人理化学研究所 広報室 報道担当
Tel: 048-467-9272 / Fax: 048-462-4715
お問い合わせフォーム

東京大学大学院工学系研究科 広報室 永合 由美子
Tel: 03-5841-1790 / Fax: 03-5841-0529
kouhou [at] pr.t.u-tokyo.ac.jp (※[at]は@に置き換えてください。)

産業利用に関するお問い合わせ

独立行政法人理化学研究所 社会知創成事業 連携推進部
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補足説明

  1. スキルミオン
    近年、固体中で存在が確認されたナノメートルサイズの渦状磁気構造体のこと。電子スピンの向きが周辺では上向き、中心では下向き、その中間領域では渦状になっているスピン構造で、スピンの連続的な変化に対して壊れることがない安定的な性質を持っている。また、特定の温度・磁場下においてはスキルミオンが格子状に規則的に配列することが知られている。
  2. 磁気バブル
    面直方向(表面に立てた法線方向)の容易軸を持つ磁性体に現れる磁気構造で、周囲の領域に比べて丸い領域でスピンが逆方向を向いているような状態。スキルミオンもその1つの例である。1970~80年代に盛んに研究された磁気バブルは双極子相互作用によって実現する種々の構造が磁気バブルと総称され、スピンの面内成分は着目されていなかった。
  3. 磁気双極子相互作用
    電磁気学によると、磁気モーメントがあるとそれによって磁場が誘起され、他の磁気モーメントに影響が及ぶ。この作用は相互のものであって、磁気双極子相互作用と呼ばれている。
  4. ピン止め効果
    結晶中に不純物や欠陥があると、磁壁やスキルミオンといった磁気構造に対してその運動を止める働きをする。これをピン止め効果と呼ぶ。
  5. 磁壁
    強磁性体、あるいは一般の磁性体で、一様にスピンがそろった領域(磁区)が複数できることがあり、この領域間の境界を磁壁と呼ぶ。磁壁中では、一方の磁区中のスピンの向きから他方の磁区中のスピンの向きへとスピンの向きが徐々に回転して変化している。
  6. カイラル磁性体
    鏡像を作ると元に戻らないような結晶構造を持つ磁性体。
  7. Landau-Lifshitz-Gilbert方程式
    磁性体の磁化の運動を記述する方程式。磁化は古典的なものと仮定された決定論的な運動方程式である。
  8. スピン軌道相互作用
    電子は原子核の周りを回っているが、これを電子の立場から見ると正の電荷を持った原子核が動いており、電流が発生していることになる。この電流が生成する磁場と電子の磁気モーメント(スピン)の相互作用のこと。

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スキルミオンの磁気構造図

図1 スキルミオンの磁気構造

複数の電子スピンが渦のように規則的に並んだ構造をしている。中心と外周のスピンの向きは反平行で、中心から外周の間にあるスピンの向きは連続的にねじれ、渦巻き構造を形成する。

スキルミオン生成のシミュレーション結果図

図2 スキルミオン生成のシミュレーション結果

制限された空間にさらに微小な切れ込み(狭窄構造)を入れて、電流を流すとスキルミオンが生成される。(aからfの順に生成される)

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