次世代省エネ・コンピュータの開発につながるスピン波回路を実現

電子回路は、集積度の高さと動作の速さに比例して発熱量が増えるため、小型化の限界が見え始めている。そこで、発熱が極めて小さなコンピュータの開発が求められているという。国立科学技術振興機構（JST）は、戦略的創造研究推進事業の一環として、豊橋技術科学大学の後藤 太一 助教、慶應義塾大学 理工学部の関口 康爾 専任講師らのグループがスピン波の位相干渉によるスピン波演算素子を実現した、と発表した。

電子の自転（スピン）による磁石としての性質、そしてその集団において各スピンの歳差運動（傾いて回っているコマの心棒に見られるすりこぎ運動）が空間的にずれて波のように伝わっていく現象――即ち、電流に因らない磁石の波であるスピン波は、従来研究で、位相干渉が実現されていた。しかし、その演算素子としての機能の実証は不十分であった。演算素子の全機能実現に不可欠な否定論理積（NAND）と、否定論理和（NOR）とが実現されていなかったという。

同研究グループは、磁性絶縁体である磁性ガーネットを三叉型に加工し、３つの枝からスピン波を入力し接続点で位相干渉させ、幹の部分にその結果を出力することでNAND演算を実現した。出力は従来報告されている強度情報ではなく、位相情報として現れていて、NANDとNOR双方を１つの入力位相によって切り替えることも可能になっている。論理演算素子の構造は、これと同じ素子で多段化できる性質を有するため、電子回路への応用上極めて重要な要件を満たしたことになる。入力位相の変化でNANDかNOR、どちらかの機能を選択できる点も、応用上の利点だという

今回の成果よりもさらに多くの入力情報を１点で一度に同時処理可能な演算素子の開発が可能で、従来の電子回路では発想できなかった飛躍的な処理機能を持つデバイスの実現。導波材料の薄膜化や電極の微細化によって波長の短縮化ができ、素子のさらなる小型化が可能である、電流不要のスピン波による新たな情報処理――次世代省エネルギーコンピュータへの応用や、スマートフォンなど電子機器における格段の性能向上が期待される。

研究は、豊橋技術科学大学の金澤 直輝 特別研究員、高木 宏幸 准教授、中村 雄一 准教授、内田 裕久 教授、井上 光輝 教授、モスクワ大学のグラノフスキー教授、マサチューセッツ工科大学のロス教授らと共同で行われたものであり、英国科学誌「Scientific Reports」（電子版）に掲載された。