東北大学と京都大学は、コバルト・ガドリニウム(CoGd)合金多層膜からなる反強磁性材料を用いた反強磁性体スピントルク磁気メモリを実証したと発表した。

同成果は、東北大学金属材料研究所の関剛斎 准教授、高梨弘毅 教授、周偉男 博士研究員(現:物質・材料研究機構ポスドク研究員)、京都大学化学研究所の森山貴広 准教授と小野輝男 教授らで構成される研究グループによるもの。詳細は米国の科学誌「Physical Review Letters」のオンライン版に公開された。

高度情報化社会の進展に伴い、情報記録デバイスの超高記録密度化・低消費電力化が求められている。HDDやMRAMなどの磁気記録デバイスでは、コバルト(Co)や鉄(Fe)、ニッケル(Ni)などの強磁性体からなる記録層に、電流あるいはスピントルク効果や磁場で、0か1のデジタル情報を描き込む、磁気モーメントの反転により記録する方法が用いられている。しかし従来の磁気記録デバイスでは、強磁性体自身から発生する双極子磁場(漏れ磁場)によるビット間干渉の問題が、超高記録密度化への壁となっていた。

一方、反強磁性体は、ミクロな磁気モーメントを有するが、隣り合う磁気モーメントが反対方向を向いて成立しているため、漏れ磁場が発生せず、外部磁場に対しても磁気モーメントはほとんど応答しない。しかしスピントルク効果はミクロな磁気モーメントに直接作用するため、電流による磁気モーメントの制御が可能となっている。これらの反強磁性体特有の性質を利用することで、電流では書き込み(磁気モーメントの回転)ができるが、外部磁場擾乱には 強い磁気メモリが実現できることが期待されてきた。

  • 磁気メモリの概要

    図1 磁気記録デバイスの高密度化に関する、強磁性体を用いた従来の磁気メモリと反強磁性体を用いた場合の比較 (出所:東北大Webサイト)

今回の研究では、反強磁性材料としてコバルト・ガドリニウム(CoGd)合金多層膜を採用。組成の異なるCoGd合金(Co86Gd14とCo62Gd38)を積層させることで、それぞれの層の磁気モーメントが反対方向に向いて結合した(反強磁性結合状態)記録層を生成。さらにこの記録層をプラチナ(Pt)層で上下から挟み込むことでメモリ素子構造とした。

上下のPt層に書き込み電流が流れるとスピンホール効果によりスピン流が記録層に作用して、スピントルク効果によりCoGd合金の磁気モーメントにトルク(回転力)を与える。今回研究グループが提案したPtで挟み込む素子構造では、上下のPtからそれぞれ逆方向に分極したスピン流が反強磁性磁化に作用するため、より効率的に回転力が得られるという。

  • 今回の書き込み原理の概要

    図2 反強磁性結合したCoGd合金二層膜をPtで挟んだ構造のメモリ素子およびスピントルク効果による電流書き込み原理の概略図 (出所:東北大Webサイト)

また、研究グループは、同メモリ素子において、電流のよる("0","1")の書き込みを繰り返し行った後、それぞれ読み出しを行い、("0","1")に対応して素子の抵抗が変化することも実証したほか、6×106A/cm2程度の電流で書き込みが可能なことも確認。さらに外部磁場による書き込みでは、数kOe程度の磁場では満足に書き込みができないことも確認したとする。

なお、今回の結果について研究グループでは、反強磁性体における磁気モーメント操作の新しい手法、素子構造、および物理を開拓するものであり、磁気メモリの超高密度化へのブレークスルーにつながることが期待されるとコメントしている。