東京大学(東大)と理化学研究所(理研)は、表面弾性波を使って、電子のスピンが渦巻状に整列したスキルミオンを、発熱を抑えつつ広範囲に渡って生成することに成功したと発表した。

同成果に対し研究グループは、低消費電力の次世代不揮発性磁気メモリ素子のほかにも、論理素子、人間の脳の働きを模したコンピューターに使われるニューロモルフィック素子などの開発に応用できるスキルミオンの効率的な生成方法の確立に貢献できるものと期待している。

なお、研究グループは、理化学研究所の創発物性科学研究センター 量子ナノ磁性研究チームの横内智行 基礎科学特別研究員、東京大学物性研究所の大谷義近 教授(理研創発物性科学研究センター 量子ナノ磁性研究チームチームリーダー)を中心に構成され、研究成果に関する論文は科学雑誌『Nature Nanotechnology』オンライン版に掲載された。

  • スキルミオンの模式図。図の矢印は電子のスピンの向きをあらわしている (出所：東京大学WEBサイト)

ハードディスクドライブなどに用いられる磁気記憶装置は小さな磁石を使って情報を記録している。この小さな磁石が「磁気メモリ素子」だ。

スキルミオンは、磁気を帯びているが、とても小さく、低電力で発熱を抑えて駆動できるために、低消費電力・高密度の次世代不揮発性磁気メモリ素子として世界中で研究が進められている。

しかし、このように次世代磁気メモリ素子として期待されているスキルミオンだが、まだ多くの問題が残されている。そのひとつが、これまでの方法では、スキルミオンの生成に際して、大きな発熱を伴ううえに、薄膜の特定の部分にしかスキルミオンが生成しないという問題だ。

今回、研究グループは表面弾性波と呼ばれる物質の表面を伝わっていく超音波を使ってスキルミオンを生成することでこの問題を解決した。

研究グループは、白金(Pt)コバルト(Co)イリジウム(Ir)積層薄膜をつくり、それに磁力を加えて電子のスピンの方向をいったん一方向に揃えたうえで、その薄膜の両脇で表面弾性波を発生させた。すると、ほぼ温度の変化なしにスキルミオンが生成されることが確認された。

  • 表面弾性波励起による温度上昇を図で示したもの

    表面弾性波励起による温度上昇。(上)表面弾性波を励起する前(左)と励起中(右)の温度の分布。薄膜の領域における温度変化がほぼないことがわかった。(下)薄膜領域の平均温度を、表面弾性波を励起する交流信号の強さに対してプロットしたグラフ。交流信号の強さを強くしても、温度がほぼ変わらなかった (出所：東京大学WEBサイト)

研究グループによると、表面弾性波によって白金コバルトイリジウム積層薄膜にひずみが生じ、このひずみによって、電子間の距離が変わり、電子間のスピンの相互作用が変わることによって、スキルミオンが生成すると考えられるという。このようにひずみと電子のスピンが相互作用することを磁気弾性結合という。

また、研究グループは同時に白金コバルトイリジウム積層薄膜の広い範囲(数百マイクロメートル程度)に渡ってスキルミオンが生成することも確認した。研究グループによると、これは表面弾性波の長距離を伝わることができる性質によるものと考えられるいう。

研究グループでは、今後、表面弾性波を使ってスキルミオンを制御する方法について研究を進め、スキルミオンを利用した次世代磁気メモリ素子などの実現に貢献していきたいと考えている。