産総研、HDDの超高密度化と超低消費電力動作を両立する新技術

研究概要図

　国立研究開発法人 産業技術総合研究所(以下産総研)と東北大学は、Ni-Fe(パーマロイ)合金の中に作られる磁気モーメントの渦構造(磁気渦構造)の磁化運動を利用すると、FePt規則合金の磁化スイッチングに必要な磁場(磁化スイッチング磁場)を大幅に低減できることを発見したと発表した。

　現行のHDDは、記録ビットとなる磁石1つ1つの向きの方向を変化(磁化スイッチング)させることにより情報を記録しており、容量の増大と安定した記録のためには、ナノメートルレベルの磁石を高密度に配置しつつ、磁化を一方向に保つためのエネルギー(磁気異方性エネルギー)を大きくすることが不可欠となる。

　しかし、この磁気異方性エネルギーにより磁化スイッチング磁場が増えるため、結果として書き込み時の消費電力が増大してしまう。特にFePt規則合金は次世代の超高密度磁気記憶デバイス材料の有力候補とされているが、磁化スイッチング磁場が大きいことが現段階での実用化に向けた1つの障害となっているという。

　東北大学金属材料研究所の周偉男博士研究員、関剛斎准教授および高梨弘毅教授のグループは、産業技術総合研究所スピントロニクス研究センターの荒井礼子博士研究員および今村裕志研究チーム長との共同研究で、Ni-Fe合金層とFePt合金層を積層させた薄膜試料を、直径260nmのナノサイズドットへと加工し、磁化スイッチングの挙動を調査。結果、Fe-Ni合金層に磁気渦構造が形成され、高周波の外部磁場を加えることで磁気渦の運動が励起され、Ni-Fe合金層に隣接しているFePt合金層の磁化スイッチングが容易に生じることが分かったという。

HDDの記録ビットの模式図。磁石1つ1つが記録ビットとなっており、磁石の方向で情報の「1」、「0」を記録している。構成する磁石を(a)から(b)のように小さくすることで、記録密度を高めることができる

以前の研究で用いた面内磁化を有するマイクロメートルサイズの素子の模式図。(b)今回の研究で作製した垂直磁化FePt規則合金層と磁気渦構造のNi-Fe合金(Py)層から成るナノ磁石の模式図

　このスイッチング磁場が低下する原因を調べるため、コンピュータシミュレーションと比較したところ、磁気渦が運動することによってNi-Fe合金層に過剰な磁気的エネルギーが蓄積され、その余分なエネルギーを低減させるために、FePt合金層において磁化スイッチングが生じる、という特徴的なスイッチングプロセスが明らかとなったという。

　これまでに磁気渦の運動に関する研究報告は多数あるが、磁気渦の運動を利用して隣接する磁石の磁化方向をスイッチングさせるという研究報告はなく、今回の成果によって磁気渦の新しい機能が実証されたとしている。

コンピュータシミュレーションより得られた磁気構造。磁気モーメントの面内x成分(mx)と垂直z成分(mz)の変化をカラープロットで表している。また、積層構造の模式図を合わせて示している

FePt規則合金層のスイッチング磁場の高周波磁場の周波数依存性。周波数を11GHzとした0.2kOeの高周波磁場を素子に与えると、スイッチング磁場が8.6kOeから2.8kOeまで低下する

　今回の成果は、「磁気異方性エネルギーの大きなFePt規則合金」を有する「ナノサイズ素子」において「小さなスイッチング磁場」を実証したものであり、応用上の要件を満足することから、磁気記憶デバイスにおける情報の超高密度化と低消費電力動作の両立に向けた新しい道筋を示しているとする。同研究グループでは、さらなるスイッチング磁場の低減による高効率化を今後の課題の1つとして挙げている。

　研究成果は、12月8日付けで米国物理学雑誌「Physical Review B」にてRapid communicationとして公開されている。