産総研、電子スピンの共鳴運動を電圧で制御する技術を開発

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産業技術総合研究所(産総研)は、超薄膜化した磁石を用いて、電子スピン(磁気)の共鳴運動を電流ではなく電圧で制御することに成功し、低消費電力デバイスの基盤となる技術を開発したと発表した。

同成果は同研究所の野崎隆行 研究員(元大阪大学大学院 基礎工学研究科)と大阪大学(阪大)大学院基礎工学研究科 鈴木義茂 教授らの研究グループによるもので、英国科学雑誌「Nature Physics」オンライン速報版で公開された。

電子が持つ磁気的な性質であるスピンを利用することで、新しい機能の発現を目指す「スピントロニクス」として、電力を供給しなくても記憶が保持できる磁石の不揮発性を利用することで、待機電力がほとんど要らない磁気メモリなどの開発が進められている。

このスピントロニクスにおいて重要な基盤技術の1つが、共鳴現象を利用したスピンの集団運動である強磁性共鳴だ。

振り子を揺らした時に、うまくタイミングを合わせると同じ力でも強く揺らすことができる(共振)ように、磁石の中のスピンも、固有の周波数に同調した入力を行うことで、小さなエネルギーにより高効率な運動制御が可能である。

この共鳴現象はこれまで基礎物理の解明手段や磁石材料の特性評価法として用いられてきたが、最近ではその高効率の特長を生かして、磁気記録や磁気メモリにおけるスピン反転アシスト技術や、低損失情報伝送・論理素子への利用が検討されているスピン波や純スピン流注の生成技術として重要性が高まってきている。

これまでは、外部配線に交流電流を流すことで発生する磁界(電流磁界)や素子に直接電流を流すことでスピンに作用する力、スピントルクなどを用いて共鳴運動の制御が行われてきたが、どちらも大きな電流を必要とするため、ジュール熱によるエネルギー消費(抵抗損失)が発生し、低消費電力制御が困難であった。

この問題を根本的に解決するために、磁界や電流ではなく、電圧によってスピンの状態(向き、運動など)を制御することが理想的な低電消費力化技術として望まれており、これまでも、電力を圧力に変えるピエゾ素子と磁石を複合させた素子において機械的な歪みを利用して制御する方法や、磁性半導体、マルチフェロイック材料などの磁気的な性質と電気的な性質の結合を有する材料を利用した方法が試みられてきた。

しかし、室温で動作する、固体素子に適用できる、繰り返し情報を書き込みできる高い耐性を持つ、高周波信号の入力が可能である、情報を出力する構造(トンネル磁気抵抗素子など)との複合化が容易であるといった、実際のデバイスで要求される特長をすべて満たすものは発見されていなかった。

研究グループではこれまでに、ごく一般的な金属磁石材料である鉄において、スピンの特定の方向への向きやすさ(磁気異方性)を電圧で制御できることを発見していた。

通常、金属材料に電圧を加えても含まれる電子数が非常に多いためにその効果は遮蔽されてしまうが、鉄の膜厚を数原子層まで超薄膜化させることによってその効果を顕在化させることができるためだ。

研究グループではその後、同技術を用いて双方向スピン反転制御にも成功しているが、最後に残された基盤技術として、共鳴運動の制御法の開発が求められていた。

コマの回転軸が傾いた状態で回転する運動は歳差運動(首振り運動)と呼ばれ、身近に観察することができる物理現象だ。

このように回転体(角運動量を持つ)に回転軸を変えようとする力(コマの場合は重力)が働くと、その力の直角方向に回転軸が動くように力が働く(ジャイロ効果)。

スピンは角運動量であるため、外から静磁界を加えると、コマと同様に歳差運動が起きる。