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

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。しかし、コマが床との摩擦でいずれ倒れてしまうように、スピンもさまざまな摩擦の影響によって、やがて磁界の方向に向いて運動は止まってしまう。

図1 スピン角運動量と磁気モーメントの関係

そこで、静磁界と直交するように、スピンの共鳴周波数と同じ周波数で変化する高周波磁界を加えると、エネルギーの供給を受けて定常的に効率の良いスピン歳差運動を持続することができるようになる。磁石の場合は多数のスピンが集団で揃って歳差運動を行うが、この現象は強磁性共鳴と呼ばれる。

図2 コマとスピンの歳差運動

これらの例は磁界による共鳴だが、電圧によってこの運動を制御する方法はこれまで分かっていなかった。鉄などのごくありふれた金属磁石においては、電圧とスピンの相互作用は期待できないというのがこれまでの常識であったが、磁石を数原子層まで超薄膜化し、絶縁層を介して電圧を加えると、界面に蓄積する電子によって電子軌道の占有状態が変調され、スピンの向きやすい方向(磁気異方性)を制御することが可能であることが近年判明した。スピンの向きやすさが変わるということは、見かけ上外部から磁界を加えているのと同等の効果が得られることを意味する(有効磁界)。

今回の研究では、超薄膜磁石/絶縁層/対向電極からなる積層構造に対して、超薄膜磁石のスピンの共鳴周波数に一致する高周波電圧を加えて、共鳴運動が起こるかどうかの検討を行った。

図3 電圧によるスピンの共鳴運動制御の概念図

具体的には、超薄膜磁石に鉄コバルト合金(FeCo)、絶縁層に酸化マグネシウム(MgO)、対向電極に磁石材料である鉄(Fe)を用いた強磁性トンネル接合素子を作製した。FeCo層の下部に配置されている金(Au)はFeCo層のスピンを膜面垂直方向に向きやすくさせるために用いたもので、MgOの膜厚を比較的厚く設計することにより、電流がほとんど流れないように工夫が施されている。この素子に高周波信号発振器から高周波電圧を加えたところ、超薄膜FeCo層のスピンに対して、周期的な有効磁界が膜面垂直方向に働き、その結果、外部から加えた静磁界の周りを回転するように共鳴運動を誘起することに成功した。

図4 実験に用いた素子、および測定回路の模式図

図5は観測された共鳴信号の例で、共鳴が生じる周波数は外部磁界強度に依存して変化し、その挙動は理論予測とよく一致することも確認された。

図5 電圧による共鳴運動制御の検出例

電圧によるスピンの共鳴運動の制御は、磁石材料の種類(金属、酸化物、半導体など)や実験温度に関わらず、世界で初めてであるという。さらに、超薄膜を用いるというナノ製造技術を利用するだけで、すでにHDDの磁気ヘッドや磁気メモリなどの応用に用いられている代表的な材料および構造において実証に成功した点は重要であり、迅速な応用デバイスへの展開が期待されると研究グループでは説明している。

また、他の研究で用いられている技術(電流磁界型、スピントルク型)と比較した場合、電流磁界型の場合は外部の配線に電流を通電することで発生する磁界を用いるため、磁界が空間的に広がり、ナノスケールの微小素子に磁界を集中して加えることが困難となるほか、スピンと磁界との相互作用が間接的であるため、磁界発生に用いられたエネルギーのほとんどが無駄となり、消費電力が高くなってしまうという課題があった。一方、スピントルク型の場合、素子に直接通電させることでスピンと電荷の直接的な相互作用を誘起させるため、電流磁界型と比較して高効率で単一素子に集中して共鳴運動を制御することができるものの、電流を用いる限りジュール熱によるエネルギー損失は避けられないという課題があった。しかし、今回の研究で開発された電圧型では、単一素子へのアクセスが可能であり、かつスピントルク型と比較して約200分の1の低消費電力化が可能であることが確認されたという。

図6 電流(電流磁界、およびスピントルク)および電圧による共鳴運動制御の素子スケーリング、消費電力比較の表(消費電力は断面積100×100nm2の微小磁石において、振れ角1度の共鳴運動を引き起こすために要するエネルギーに換算)

現在のHDDでは、磁気記録密度の増大(記録ビットの微小化)に伴って大きな磁気異方性を有する磁石材料が利用されるようになってきている。これは熱エネルギーによって情報が失われないために必要な対策だが、一方で情報を書き込むために大きな磁界が必要となるため、外部からエネルギーアシストをしなければ制御できない状況にまで達していることを意味する。この打開策の1つとして、外部より高周波磁界を加えることで共鳴運動を引き起こし、スピンの反転に必要な磁界を下げる(マイクロ波アシスト磁化反転)ことが検討されているが、現在の電流による制御では書き込みのエネルギーが非常に大きくなってしまうという課題があった。もし、今回実証した高周波電圧による共鳴制御を磁気記録の書き込みプロセスに導入することができれば、低消費電力なアシスト法を提供することが原理的に可能となり、さらなる記録密度の増大が可能になると見込まれる。また、同様の原理は磁気メモリ素子にも適用可能であるため、特定の素子のみ共鳴運動でスピン反転に必要なエネルギーを下げることで、選択的に低エネルギーで情報を書き込むことも可能になるという。

また、近年の新たな展開として、スピンの揺らぎ(スピン波)やスピン角運動量(純スピン流)の流れを利用した情報伝送、さらにそれを用いた論理演算素子が提案されている。これらに関しても今回の研究で開発された電圧によるスピン共鳴制御を用いることで、信号を低消費電力で、かつナノスケールの微小領域においても生成可能となるため、新たなスピンデバイスの低消費電力駆動化を促進することにつながるという。

なお、研究グループでは今後、実デバイスへの適用を検討するとともに、さらなる低電圧駆動化を目指して、電圧によってスピンの向きやすさが高感度で変化する磁石材料、絶縁層材料の探索を進める予定だとしている。

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