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東大、ワイル粒子を用いた不揮発性メモリの動作原理を実証
～超高速・高集積なMRAMの実用化に向けて前進
2020年4月21日 18:56
東京大学らの研究グループは、反強磁性体中のワイル粒子の電気的制御と、これ利用した不揮発性の磁気メモリ(MRAM)の動作原理の実証に成功した。
現在コンピュータなどでデータの一時保存を行なうメモリには、揮発性のものが用いられている。しかし情報を維持し続けるのに電力供給が必要なため、不揮発性メモリへ代替していくことが検討されており、磁化を利用してデータを記録するMRAMが有望とされている。MRAMでは、強磁性体と非磁性重金属で構成される多層膜に電流を流すことで引き起こされるスピン軌道トルク磁化反転によって、磁化を書き込む手法が用いられている。
既存のMRAMは強磁性体を使用したものだが、反強磁性体を使用したものも期待されており、スピンの応答速度がピコ秒単位で、漏れ磁場の影響がないため、より高速で高集積なメモリが実現できると考えられている。しかし、反強磁性体では隣接する原子のスピンが互いに打ち消しあうかたちとなるため、磁化がほとんどなく、情報の読み書きが難しいとされてきた。
研究グループでは2015年に、マンガンとスズで構成された反強磁性体(Mn3Sn)が、強磁性体に匹敵する大きな異常ホール効果と異常ネルンスト効果を示すことを発見するとともに、ワイル粒子をもつ反強磁性体であることを発見している。Mn3Snでは磁化の代わりにワイル粒子による仮想磁場の向きを利用して情報が記憶できるため、MRAMの素材として応用が可能だとされていたが、電流を用いたワイル粒子の制御手法がわかっていなかった。
同グループでは今回、Mn3Snと非磁性金属である白金(Pt)、タングステン(W)、銅(Cu)との多層膜で構成されるホール抵抗測定用の素子をシリコン基板上にそれぞれ作製。外部電流を加えて室温でホール電圧の変化を測定した。
その結果、PtまたはWを積層させた素子でホール電圧の反転に成功。PtとWそれぞれの素子で電圧の反転が逆符号となっており、Cuを用いたものでは反転が起きなかった。重金属層に生じるスピン流が、Mn3Snのもつワイル点の位置分布とその仮想磁場に由来したホール電圧を反転していることを示しており、強磁性体で用いられるスピン軌道トルク磁化反転と同様の手法で情報の書き込みができると考えられる。
また、書き込み電流の大きさを変えると、ホール電圧の大きさをアナログ的に制御できることも確認された。0と1の2種類の情報だけでなく、より多くの情報を1つの素子に記録できる多値記憶素子として、量子コンピュータなどへの応用もできるという。
今回用いられたMn3Snでは、強磁性体と同様の素子構造を用いることができ、すでにMRAMで用いられている技術が応用できる。研究グループでは、ワイル点を単位として情報の読み書きや素子の作製に関する手法が明らかになったことで、反強磁性体を使った超高速/高密度の不揮発性メモリの実現につながるとともに、ワイル粒子のダイナミクスなどこれまで観測できなかった現象の新たな研究につながるとしている。