| 理化学研究所東京大学J-PARCセンター総合科学研究機構 |
| 磁気渦を押すだけで生成・消去できる新手法を発見 |
| - 超省電力型の磁気メモリデバイス実現へ前進 - |
【 要旨 】  理化学研究所 (理研) 創発物性科学研究センター創発デバイス研究チームの新居陽一客員研究員 (東京大学大学院総合文化研究科 助教) 、岩佐義宏チームリーダー (東京大学大学院工学系研究科 教授) 、強相関量子構造研究チームの中島多朗特別研究員、創発物性科学研究センターの十倉好紀センター長 (東京大学大学院工学系研究科 教授) 、総合科学研究機構 (CROSS, J-PARC特定中性子線施設 登録機関) の大石一城グループリーダー、鈴木淳市部長らの共同研究グループ※は、次世代型磁気メモリデバイスへの応用が期待されている微小な磁気渦 ( スキルミオン [1] ) を力学的に生成・消滅する手法を初めて発見しました。
スキルミオンは数ナノメートル (nm、1nmは10億分の1メートル) から数百nmのサイズの粒子のような磁気渦で、一度生成すると比較的安定に存在し、極めて小さな電流や熱勾配により動かすことができます。また理論的には高速な生成・消滅も可能と予測されています。現在、これらの性質を使って、スキルミオンを情報キャリア [2] として用いた次世代型磁気メモリデバイスの実現が期待されています。例えば、高密度、低消費電力、不揮発性、高速動作など多くの利点を兼ね備えたユニバーサルメモリ [3] が実現できる可能性があります。ただし、その実現には、スキルミオンの書き込みや消去の動作原理を実験的に確立するとともに、より簡便な手法を開発する必要がありました。
共同研究グループは、これまで実験および理論で提唱された磁場、電流、熱といった外場とは異なる「応力」に着目し、スキルミオンの生成と消滅を試みました。マンガン (Mn) とケイ素 (Si) の合金 (MnSi) に対して、応力を変化させながら振動磁場を加える、中性子を照射するなどして磁気的性質を調べたところ、数10メガパスカル (MPa) という小さな応力でスキルミオン相を生成および消滅できることを明らかにしました。スキルミオン1個の生成・消滅に必要な閾応力は1〜10マイクログラム (μg、1μgは100万分の1グラム) 程度という極めて微小な力です。原理的には走査型プローブ顕微鏡 [4] を用いた単一スキルミオンの力学的制御も可能となります。この成果は、スキルミオンを用いた次世代型磁気メモリの開発の新たな指針になるものと期待できます。
本研究は、国際科学雑誌『Nature Communications』 (10月13日付け：日本時間10月13日) に掲載されます。 |
| 【 ※共同研究グループ 】 理化学研究所 創発物性科学研究センター 超分子化学部門 創発デバイス研究チーム 客員研究員 新居 陽一 (にい よういち) (東京大学大学院総合文化研究科 助教) チームリーダー 岩佐 義宏 (いわさ よしひろ) (東京大学大学院工学系研究科 教授) 強相関物理部門 強相関量子構造研究チーム 特別研究員 中島 多朗 (なかじま たろう) チームリーダー 有馬 孝尚 (ありま たかひさ) (東京大学大学院新領域創成科学研究科 教授) 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)
統合物性科学研究プログラム 創発超構造研究ユニット ユニットリーダー 山崎 裕一 (やまさき ゆういち) (東京大学大学院工学系研究科附属量子相エレクトロニクス研究センター特任講師) 創発物性科学研究センター センター長 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)
総合科学研究機構 (CROSS) (J-PARC特定中性子線施設 登録施設利用促進機関) 東海事業センター 利用研究促進部 グループリーダー 大石 一城 (おおいし かずき) 部長 鈴木 淳市 (すずき じゅんいち) |
3. 今後の期待 本研究は、従来と原理的に異なる、力学的なスキルミオンの生成・消滅方法を初めて提唱したものです。比較的簡便な力学的手法を他の電気・磁気的手法と組み合わせることで、スキルミオンの研究発展に貢献するとともにスキルミオンを用いた次世代型磁気メモリへの新たな開発指針を与えるものと期待されます。 |
4. 論文情報 ・ Y. Nii, T. Nakajima, A. Kikkawa, Y. Yamasaki, K. Ohishi, J. Suzuki, Y. Taguchi, T. Arima, Y. Tokura, and Y. Iwasa, "Uniaxial stress control of skyrmion phase", Nature Communications, doi: 10.1038/NCOMMS9539 |
5. 補足説明 [1] スキルミオン渦状の構造をもった磁気スピンの配列のこと (図1) 。いくつかの磁性物質中の限られた温度と磁場領域に存在する。一度生成すれば比較的安定な粒子として存在し、電流や温度勾配で動かすことができる。 [2] 情報キャリア情報の書き込み、消去、読み出しが可能な対象物のこと。ここではスキルミオンの有無を情報の1と0に対応させ、ナノサイズの微小磁気ビットとして用いる。 [3] ユニバーサルメモリSRAM、DRAM、NAND型フラッシュメモリといった個々のメモリの利点を同時に併せ持つ次世代型メモリ。具体的には、高速動作性 (書き込み、消去、読み出し) 、高密度性、不揮発性、低消費電力、高い書き換え耐久性などを兼ね備えたメモリである。 [4] 走査型プローブ顕微鏡原子間力顕微鏡や磁気力顕微鏡といった探針を用いた走査型プローブ顕微鏡の総称。カンチレバーの先端には曲率半径が数10nm程度の鋭い探針があり、物質との相互作用を通じて表面の原子配列、電子状態、磁区などを可視化することができる。また探針を試料に接触させることでナノメートルの局所領域に応力を加えることもできる。
[5] 一軸応力プローブ物質の一方向に可変の力が加えられるように開発した実験プローブ。物質をピストンで挟みこみ、マイクロメータで調節しながら力を加えることで連続的に応力を変化させることができる。また超伝導磁石に入れることで低温・磁場下の応力変調が可能となる。本研究では、交流帯磁率測定や中性子小角散乱実験で用いた。 [6] 中性子小角散乱磁気モーメントを持つ中性子を物質に照射し散乱パターンを調べることで、物質中の磁気構造に関する情報が得られる。特にスキルミオン (数10nm) のような結晶の単位胞 (一辺0.1nmオーダ) に対し比較的大きなサイズの磁気配列では、小さな角度に散乱パターンが現れる。そのため小角散乱ビームラインと呼ばれる特別なビームラインで中性子散乱実験を行う必要がある。 |
6. 発表者・機関窓口 ＜発表者＞ 理化学研究所 創発物性科学研究センター 超分子化学部門 創発デバイス研究チーム 客員研究員 新居 陽一 (にい よういち) (東京大学大学院総合文化研究科 助教) チームリーダー 岩佐 義宏 (いわさ よしひろ) (東京大学大学院工学系研究科 教授) 強相関物理部門 強相関量子構造研究チーム 特別研究員 中島 多朗 (なかじま たろう) 創発物性科学研究センター センター長 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)
総合科学研究機構 (CROSS) (J-PARC特定中性子線施設 登録施設利用促進機関) 東海事業センター 利用研究促進部 グループリーダー 大石 一城 (おおいし かずき) 部長 鈴木 淳市 (すずき じゅんいち) |
| ＜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 理研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 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。) J-PARCセンター 広報セクション 照沼秀文、福田浩 TEL:029-284-4578 FAX:029-284-4571 pr-section [at] j-parc.jp (※[at]は@に置き換えてください。) 総合科学研究機構 (CROSS) (J-PARC特定中性子線施設 登録施設利用促進機関) 東海事業センター 利用推進部 広報担当 浅井利紀 TEL:029-219-5300 FAX:029-210-5311 t_asai [at] cross.or.jp (※[at]は@に置き換えてください。) |
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