京都大学(京大) 化学研究所の小野輝男教授、電気通信大学の仲谷栄伸教授およびNECらによる研究グループは、磁性ナノ細線における磁壁移動のしきい値を決める要因が、電流と磁場でまったく異なることを発見した。2011年2月20日に、英国科学誌「Nature Materials」(オンライン版)に掲載された。

強磁性体の磁区と磁区の境界を磁壁と呼ぶが、磁壁はナノスケールの磁化のねじれ構造で、これを電流で移動させることが可能であることは、2004年に京都大学の研究グループが示していた。

磁壁の概念図。磁壁内部では磁化がねじれた構造をとっている。スピン偏極した伝導電子(スピン偏極電流)を流すと、磁壁内部の磁化はトルクを受け、磁壁全体が電流と逆方向(伝導電子の流れの向き)に移動する

その後、同現象を利用した新規メモリ素子がIBMやNECにより提案されており、これらの新規メモリは、半導体メモリを超える大容量性・高速性・低消費電力を兼ね備えた低コスト不揮発性磁気メモリとして期待され、これまで各所で研究が行われてきたが、情報保持の安定性と低消費電力化を両立することが困難であると考えられてきた。

左がIBM、右がNECによって提案された電流による磁壁駆動を用いた不揮発性メモリの概念図。IBMの提案したメモリはレーストラック型メモリと呼ばれ、0と1の情報が書き込まれた磁性細線中の磁壁を電流で駆動して所望のデータを読み出す手法を用いる。一方、NECにより提案されたメモリは中央の磁化方向を電流磁壁駆動によりスイッチさせデータを書き込む

今回、研究グループでは、コバルトとニッケルを積層した強磁性薄膜を40～300nmの線幅に加工し、細線中の磁壁を電流や磁場で駆動する実験を室温で行った。磁壁が電流や磁場で動き出すしきい値を、「しきい電流」、「しきい磁場」と定義。しきい磁場は細線エッジの凹凸や欠陥などの外因的な要因(外因性ピンニング)で決まるが、しきい電流がしきい磁場とは無関係に決まっていること、ならびにしきい電流が外部磁場に依存しないことを明らかにした。

左がしきい電流密度としきい磁場の細線幅依存性。しきい電流密度はしきい電流密度とはまったく異なる細線幅依存性を示す。しきい電流密度は細線幅が76nm付近で極小値を示す。前後で磁壁の安定構造がネール磁壁からブロッホ磁壁へ切り替わっていることが別な実験より確かめられた。つまり、磁壁の安定構造が切り替わる細線幅では、内因性ピンニングも極小になる。右はしきい電流密度の外部磁場依存性。しきい電流密度は外部磁場に依存しないことが分かる

これらの結果は、電流と磁場による磁壁駆動機構がまったく異なることを意味しているという。磁壁内部の磁化は電流によりトルクを受けるが、トルクにより磁壁の構造が周期的に変化しならがら磁壁全体が移動する。

磁壁の内部構造(ブロッホ磁壁とネール磁壁)の概念図。磁壁が電流でトルクを受けて移動するとき、磁壁の内部構造はブロッホ→ネール→ブロッホ→…と周期的に変化する。しきい電流は両者のエネルギー差に依存し、それを内因性ピンニングと呼ぶ。今回の成果は、実験的に、内因性ピンニングとしきい電流の関係を明らかにしたものとなる

しきい電流は、この構造変化を引き起こすために乗り越えなくてはいけないエネルギー障壁(内因性ピンニング)に依存していると考えることができ、実験により、しきい電流が細線幅に対して極小を示すことを解明した。

実際、しきい電流が極小値を示す細線幅前後で磁壁の安定構造が切り替わることが実験的に証明され、しきい電流が極小を示す細線幅では両磁壁構造のエネルギー差も極小となっていることが明らかになった。

実用面からは、細線幅や膜厚などを制御することによりさらなるしきい電流の低減が期待されるという。また、しきい電流としきい磁場に相関が無いことから、高いしきい磁場をもつ熱安定性の高い素子においても低電流で磁壁を駆動できると考えられるという。しきい電流値が外部磁場に依存しないことも大きな利点としており、これにより、高い外部擾乱耐性と安定動作を兼ね備えた、低消費電力な素子の実現が期待できるとしており、次世代不揮発性磁気メモリの開発に新たな進展をもたらすことが期待できると研究グループでは説明している。