広報活動

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2015年10月13日

理化学研究所

パルス電流によるスキルミオンの生成・消去に成功

-ナノスケールの磁気構造を書き換える新原理を実証-

要旨

理化学研究所(理研)創発物性科学研究センター動的創発物性研究ユニットの大池広志特別研究員、賀川史敬ユニットリーダーらの研究グループは、パルス電流印加(短時間に瞬間的に電流を流すこと)による磁気スキルミオンの生成・消去に成功しました。

磁気スキルミオン[1]は数十ナノメートル(nm、1 nmは10億分の1メートル)程度の大きさの渦状の磁気構造で、次世代の高密度磁気メモリ素子への応用が期待されています。しかし、磁性体を数十nmの厚さの薄膜に加工しない限り、磁気スキルミオンを観測できる温度域が数ケルビン(K)幅(マンガンシリコン(MnSi)の場合、27K~29K)程度と非常に限られていました。磁性体がその温度域を外れると磁気スキルミオンは別の磁気構造へと変化し失われてしまうため、基礎・応用研究の一層の展開に向けて磁気スキルミオンを観測できる温度域の拡大は解決すべき課題となっていました。

研究グループは、パルス電流印加に伴う急加熱と急冷効果を利用することで、MnSiにおいて、これまで磁気スキルミオンが観測されないと考えられていた温度域(27Kより低温)で、磁気スキルミオンを生成できることを発見しました。さらに、磁気スキルミオン生成に用いたパルス電流とは異なる強度・幅のパルス電流を用いることで、生成された磁気スキルミオンを消去できることも実証しました。このようなパルス電流を用いた磁気スキルミオンの生成・消去は繰り返すことができることも確認しました。これらの成果は、電流印加による磁気スキルミオンの不揮発制御[2]の新原理を実証したものと言え、今後、磁気スキルミオンメモリデバイスの実現へ向けて1つの指針を与えると期待できます。

本研究は、国際科学雑誌『Nature Physics』に掲載されるのに先立ち、オンライン版(10月12日付け:日本時間10月13日)に掲載されました。

※研究グループ

理化学研究所 創発物性科学研究センター
動的創発物性研究ユニット
特別研究員 大池 広志 (おおいけ ひろし)
ユニットリーダー 賀川 史敬 (かがわ ふみたか)

強相関物質研究チーム
技師 吉川 明子 (きっかわ あきこ)
チームリーダー 田口 康二郎(たぐち やすじろう)

強相関物性研究グループ
客員研究員 金澤 直也 (かなざわ なおや)(東京大学大学院 工学系研究科 助教)
グループディレクター 十倉 好紀 (とくら よしのり)(東京大学大学院 工学系研究科 教授)

強相関界面研究グループ
グループディレクター 川﨑 雅司 (かわさき まさし)(東京大学大学院 工学系研究科 教授)

背景

磁気スキルミオンは数十nm程度の大きさの渦状の磁気構造で(図1)、高密度磁気メモリ素子としての応用が期待されています。磁気スキルミオンは、ある特定の結晶構造を持つ磁性体において普遍的に観測されることが最近の研究から分かってきました。しかし、いずれの磁性体においても、厚みが数十nmの薄膜に加工しない限り、磁気スキルミオンを観測できる温度域(磁気スキルミオン安定相[3])は数ケルビン幅程度(マンガンシリコン(MnSi)の場合、27K~29K)と非常に限られていました(図2a)。磁性体がその温度域を外れると磁気スキルミオンは別の磁気構造へと変化し失われてしまうため、基礎・応用研究に際して、磁気スキルミオンを観測できる温度域の拡大は解決すべき課題となっていました。

研究手法と成果

研究グループは、本来は高温高圧環境下で安定相として存在するダイヤモンドが、常温大気中でも準安定相[3]として存在するという事実から着想を得て、磁気スキルミオンを広い温度域で発現させる方法として「急冷」に着目しました。炭素原子の集合体が成す結晶には、黒鉛やダイヤモンドなど、さまざまな構造があります。ダイヤモンドはマントル中の高温高圧環境下では安定相として存在し、ゆっくりと地表に運ばれた場合は、常温大気中での安定相である黒鉛へと変化します。一方、火山の噴火などにより地表まで短時間で運ばれ急冷された場合は、黒鉛に変化することなくダイヤモンドは準安定相として保持されます。このことから、通常、限られた温度域でしか観測できず、冷却すると別の安定相(コニカル相[4])へと変化してしまう磁気スキルミオンが、急冷することによってコニカル相へ変化することなく、広い温度域で観測できるのではないかと考えました(図3)。

研究グループは、磁気スキルミオンを形成する最も代表的な磁性体として知られるMnSiを用いて、ホール抵抗[5]が急冷によってどのように変化するかを調べました。磁気スキルミオンが形成された磁性体中の伝導電子(電気伝導を担う電子)は、あたかも磁場中にいるかのように運動し、ホール電圧[5]を発生させることが知られています。研究グループは、パルス電流で試料を瞬時に加熱した後に起こる熱の拡散を利用して、1秒間に500K変化する程度の急冷を行い、その後ホール抵抗率[5]を測定することで磁気スキルミオンの検出を試みました。

通常はコニカル相が安定相であるため磁気スキルミオンが形成されない温度10K、磁場0.22テスラ(T)の条件で、パルス幅が0.1秒の電流を印加し、急加熱・急冷を行った結果、ホール抵抗率が徐冷時(コニカル相)のもの(2ナノオームセンチメートル(nΩ cm、1 nΩ cmは10億分の1 Ω cm))とは大きく異なる値(約30 nΩ cm)を示すことが分かりました(図4a、赤で示した操作)。

これはパルス電流印加中の温度上昇によって、試料が磁気スキルミオン安定相に到達し磁気スキルミオンが生成された後、パルス電流印加終了後に続いて起こる急冷過程において、より安定なコニカル相への変化が妨げられ、磁気スキルミオンが準安定相として保持されたことを意味します。このように生成された磁気スキルミオンは、磁気スキルミオン安定相よりも遥かに広い温度領域(23K以下)において準安定相として存在できることが分かりました(図2b)。

また、相図を詳細に調べたところ、磁気スキルミオンの安定相と準安定相はつながっておらず、両者を分断している隙間の温度域(23K~27K)では磁気スキルミオンが長時間存在できないことが予想されました。この予測に従い、試料がこの隙間の温度域まで加熱されるようなパルス電流を10秒間印加したところ、準安定相として存在していた磁気スキルミオンがコニカル相へと変わることが分かりました(図4a、青で示した操作)。このような磁気スキルミオン生成用のパルス電流と、消去用のパルス電流を組み合わせることで、磁気スキルミオン状態を繰り返し、生成・消去することに成功しました(図4b)。このように、適切なパルス電流を用いることで不揮発にスキルミオンを生成・消去したのは初めてのことです。

今後の期待

今回の実験では、5K~23Kにおいて試料全体にわたって電流パルスを印加し、磁気スキルミオンを一斉に(100億個程度)生成・消去することに成功しました。磁気スキルミオンをメモリ素子として応用するためには、常温において個別またはごく少数個の磁気スキルミオンを生成・消去する必要があります。常温以上に磁気スキルミオン安定相を持つ物質はすでに発見されており、磁気スキルミオンの大きさ程度の局所領域にパルス電流を印加する微細加工の技術も確立されています。今回実証した新原理は、磁気スキルミオンの生成・消去を利用した、常温で動作するメモリ素子の実現へ向けて、重要な指針を与えると期待できます。

原論文情報

  • Hiroshi Oike, Akiko Kikkawa, Naoya Kanazawa, Yasujiro Taguchi, Masashi Kawasaki, Yoshinori Tokura, Fumitaka Kagawa, "Interplay between topological and thermodynamic stability in a metastable magnetic skyrmion lattice", Nature Physics, doi: 10.1038/NPHYS3506

発表者

理化学研究所
創発物性科学研究センター 統合物性科学研究プログラム 動的創発物性研究ユニット
特別研究員 大池 広志 (おおいけ ひろし)
ユニットリーダー 賀川 史敬 (かがわ ふみたか)

大池広志

大池 広志

賀川史敬

賀川 史敬

報道担当

理化学研究所 広報室 報道担当
Tel: 048-467-9272 / Fax: 048-462-4715
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補足説明

  1. 磁気スキルミオン
    物質中には数多くの電子が存在しており、その一つひとつが小さな磁石としての性質(磁気モーメント)を持っている。電子の磁石の向きが一方向に揃った場合、その物質は磁石(強磁性体)としての性質を示す。近年、電子の磁石の向きが図1に示したような渦状に配列している磁気構造が固体中において発見された。この渦状の磁気構造体を磁気スキルミオンと呼ぶ。
  2. 不揮発制御
    与えられた刺激によって変化した物質の状態が、刺激が終了した後も保持されるような制御。電源を切った後も情報が保たれる記憶素子を構成するためには、不揮発な状態制御が必要となる。
  3. 安定相、準安定相
    ある温度、圧力、磁場環境下において、熱力学的に最もエネルギーの低い状態を安定相という。これに対し、安定相ではないものの、あたかも安定であるかのように十分長い時間存在し続けられる状態を準安定相という。ガラス状態、常温・大気圧におけるダイヤモンドなどが準安定状態の代表例である。
  4. コニカル相
    図3(図中左下)に示したような、電子の磁石の向きが完全には一方向に揃わずに、ある特定の方向から一定角度傾斜して配列している磁気構造の状態。
  5. ホール抵抗、ホール抵抗率、ホール電圧
    磁場中を運動する電子は磁場と電流に垂直な方向にローレンツ力を受ける。この結果、物質の表面に電荷が蓄積され、磁場及び電流と垂直方向に起電力が生じる。これをホール電圧という。生じたホール電圧を印加した電流で割ったものをホール抵抗という。ホール抵抗率は、試料の長さと断面積の情報を用いて、ホール抵抗を試料の形状に依らない量に規格化したもの。

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模式図

図1 スキルミオンの模式図

各矢印は磁気スキルミオン内の磁気モーメントの向きを示している。外側の磁気モーメントは外部磁場と同じ向きを向くが、中心の磁気モーメントは反対を向く。外部磁場に対して、赤矢印が0°、黄色矢印が90°、青矢印が180°傾いている。

磁気相図

図2 マンガンシリコン(MnSi)の磁気相図

(a)急冷前の磁気相図と(b)急冷後の磁気相図。磁気スキルミオン安定相を通過して急冷された場合にのみ、磁気スキルミオンが準安定相として(b)図中赤領域において観測される。

概念図

図3 磁気スキルミオンの急冷の概念図

安定相である磁気スキルミオンを徐々に冷却すると、別の安定相(コニカル相)へと変化するが、急冷した場合はこの変化を起こすことなく、磁気スキルミオン準安定相として低温まで保持される。

磁気スキルミオンの生成と消去の図

図4 パルス電流を用いた磁気スキルミオンの生成と消去

(a) ホール抵抗率の変化と用いたパルス電流の時系列。ホール抵抗率の高い状態が磁気スキルミオン準安定相、低い状態がコニカル安定相に対応する。(b)パルス電流を用いた磁気スキルミオンの生成・消去の繰り返し操作。

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