磁気メモリデバイスの高性能化に道、究極のストレージメモリの実現か

電気通信大学は、絶縁体を介して磁石に電圧を加える「電界効果」という手法を用いて、秒速100メートルを超える高速な磁気の壁(磁壁:N極とS極の境界)の運動を制御することに世界で初めて成功したと発表した。


東京大学大学院工学系研究科の小山知弘助教、千葉大地准教授、電気通信大学の仲谷栄伸教授、日本原子力研究開発機構の家田淳一研究主幹らの研究チームが成功。研究成果は、米国オンライン科学雑誌『Science Advances』に掲載された。

磁石はN極とS極の向きがそろった小さな磁石(磁区)の集合体であり、それぞれの磁区は磁壁と呼ばれる磁気の壁により隔てられている。鉄などの磁石が磁気を帯びる現象にはこの磁壁の移動現象が関わっており、その性質を理解する目的で古くから研究されてきた。

また、一つ一つの磁区にデジタル情報を担わせ、それらをシフトさせることで情報の読み出しを行う「レーストラックメモリ(Race-Track Memory:RTM)」が近年注目されている。その特性向上のためには磁区シフト(磁壁移動)をより高速に行うことが不可欠だ。

RTMの高速動作を実現すべく、磁壁移動速度のさらなる向上を目指して世界中の研究チームがしのぎを削っている。磁壁が速く動きそうな磁石材料をしらみつぶしに調べていくという材料探索が主流となっている中、研究グループは外部から磁石の性質を制御することで、材料を変えることなく磁壁移動を高速化できないかと考え、研究を行ってきた。

研究グループは、絶縁体を介して材料と金属電極間に電圧を加えることにより材料の特
性を外部から制御する「電界効果」という手法に注目。材料として膜厚が数原子層程度の極薄な磁石を用いると、電界効果により磁力や磁気異方性を制御できることが知られている。

この手法は電圧をかける瞬間を除いて素子に電流が流れないため、極めてエネルギー消費が少ない磁性の制御方法であることが大きな特徴だという。今回の研究では、磁石であるコバルト(Co)薄膜を白金(Pt)およびパラジウム(Pd)という重金属と積層させた「Pt/Co/Pd磁石」を材料として用い、絶縁体(酸化ハフニウム)、金電極からなるコンデンサ構造を作製し実験を行った。加える電圧の大きさを変えながらPt/Co/Pd磁石における磁壁移動速度を測定した。秒速100メートルを超える高速な磁壁移動に電圧を加えることで明確に制御できていることが分かった。

これまで、秒速1ミリメートル以下の「遅い」磁壁移動を電圧で制御できることは知られていたが、研究成果はその10万倍もの速度で運動する磁壁ですらも電圧制御可能であることを示した世界で初めての成果だという。

さらに詳細な測定を行った結果、原子レベルに薄い磁石が持つジャロシンスキー・守
谷相互作用(DMI)というエネルギーの大きさが電圧により変化していることが、磁壁速度変化の起源であることを突き止めた。DMIの電圧変調により、高速な磁壁移動を制御できることを実証した点も世界初の成果となると説明する。

また、メモリとして実用可能な速度領域における電圧による磁壁速度変化の実証は世界初であり、高速・大容量・高耐久性という特性を兼ね備えた究極のストレージメモリとして期待される「レーストラックメモリ」の実現にも大きく近づくとの見解を示す。

磁石の中を高速に伝播する“磁気の壁”の運動を電圧で制御することに成功

カテゴリー: 情報通信 , 製造   

大島 純一郎

大島 純一郎Author

証券系システムエンジニアやIT系資格対策問題集の編集、IT系Webメディアの編集記者などの経歴を生かして、企業向けIT関連の記事制作に携わる。専門は、IT、金融、医療分野。医療情報システムの企画/構築、運用に関する知識を有する専門者としての資格、医療情報技師、情報セキュリティアドミニストレータの保有者。

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