2012年9月10日
小野輝男 化学研究所教授、小林研介 同准教授（現大阪大学教授）、千葉大地 同准教授、Kab-Jin Kim 同研究員、小山知弘 同博士後期課程学生（現カイザースラウテルン工科大学研究員）、上田浩平 博士後期課程学生、吉村瑶子 博士後期課程学生は、仲谷栄伸 電気通信大学教授、水上成美 東北大学准教授、河野浩 大阪大学准教授、深見俊輔氏、石綿延行氏（以上、日本電気株式会社）、Andre Thiaville教授、山田啓介氏、Jean-Pierre Jamet氏、Alexandra Mougin氏（以上、パリ南大学）との共同研究で、強磁性ナノ細線における磁壁移動の閾値を低減する新しい方法を発見しました。磁気記録デバイスの低消費電力化への寄与も期待できる成果であり、応用上の観点からも特筆すべきことです。
この成果は、英国科学誌Nature Nanotechnology誌に2012年9月10日にオンライン公開されました。
概要
強磁性体の磁区と磁区の境界を磁壁と呼びます（図1）。磁壁はナノスケールの磁化のねじれ構造で、磁場だけでなくこれを電流によっても移動させることが可能であることを本学の研究グループが2004年に示しました（Phys. Rev. Lett., 92 （2004） 077205）。その後、コバルトとニッケルを積層した強磁性薄膜において、磁壁を移動させるために最低限必要な電流（閾電流）が、磁壁の構造変化を引き起こすために必要なエネルギーによって決まっていることが同グループにより明らかにされました（Nature Mat. 10 （2011） 194）（図2）。この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（図3）、半導体メモリを凌駕する大容量性?高速性?低い消費電力を兼ね備えた廉価な不揮発性磁気メモリとして期待されています。そのためには閾電流の低減が一つの大きな課題となってきました。
図1：磁壁の概念図。磁壁内部では磁化がねじれた构造をとっている。电流を流すと磁壁内部の磁化はトルクを受け、磁壁全体が电流と逆方向（伝导电子の流れの向き）に移动する。
図2：磁壁の内部构造（ブロッホ磁壁とネール磁壁）の概念図。磁壁が电流で移动するとき、磁壁の内部构造はブロッホ→ネール→ブロッホ→…と周期的に変化する。閾电流は両者のエネルギー差に依存する。このような磁壁の构造変化は、磁壁が外部磁场により移动する场合にも起こることが知られている。
図3：（左）滨叠惭と（右）狈贰颁によって提案された电流による磁壁駆动を用いた不挥発性メモリの概念図。滨叠惭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の情报が书き込まれた磁性细线中の磁壁を电流で駆动して所望のデータを読み出す手法を用いる。狈贰颁により提案されたメモリは中央の磁化方向を电流磁壁駆动によりスイッチさせデータを书き込む。
[参考文献] （IBM）：Parkin, S. S. P., Hayashi, M. & Thomas, L. Magnetic domain-wall racetrack memory. Science 320, 190 （2008）.
（NEC）：Fukami, S. et al. Low-current perpendicular domain wall motion cell for scalable high-speed MRAM. 2009 symposiumon VLSI technology. Digest Tech. 24 Pap. 230 （2009）.
研究チームは、コバルトとニッケルを積層した強磁性薄膜を150ナノメートルの幅の細線に加工し、細線中の磁壁を電流で駆動する実験を室温で行いました。研究チームは、閾磁場（磁壁を動かすために必要な磁場）程度の大きさの外部磁場を印加することにより、磁場の方向によらず閾電流がほぼ半減することを見出しました （図4）。この結果は、閾電流の起源である磁壁の構造変化（ウォーカー?ブレークダウンと呼ばれる）が外部磁場によって誘起されたため、より低電流で磁壁が移動したと理解されます。また、詳しい実験により、このような状況下における磁壁の移動速度が、電流および磁場による寄与の単純な足し合わせにより得られることを初めて明らかにしました。
図4：（左）閾电流密度と外部磁场の関係。この细线の閾磁场は200翱别である。閾电流密度は、磁场を印加しない状态では4.5×1011础／尘2であるのに比べて、280翱别印加した状态では2.6×1011础／尘2まで低减する。これは、閾磁场以上の磁场を印加したことで磁壁の构造変化（ウォーカー?ブレークダウン）が起こるので电流によりそれを诱起する必要がないため、より低电流で移动できることを示している。（右）閾电流値を印加した状况では、电流と磁场による磁壁移动速度が500翱别以上の広い磁场领域でよい一致を示す。この一致は、磁壁の移动速度が、电流および磁场による寄与の単纯な足し合わせにより得られると考えれば説明できる。また、理论モデルと比较することで、スピン分极率やダンピング定数を见积もることもできる。
外部磁场によるウォーカー?ブレークダウンを利用した閾电流の低减はこれまで报告例がなく、本研究成果は閾电流の新しい低减方法を示しており、不挥発性磁気メモリ开発に大きな进展をもたらすと期待されます。また、本研究では磁壁移动速度の加算性を利用してスピン分极率およびダンピング定数といった材料定数を见积もることが可能であることも示されており、これらのスピントロニクスデバイス开発で重要となる量を决定する新たな方法を确立したという点でも特笔すべき成果となっています。
书誌情报
[DOI]
T. Koyama, K. Ueda, K.-J. Kim, Y. Yoshimura, D. Chiba, K. Yamada, J.-P.Jamet, A. Mougin, A. Thiaville, S. Mizukami, S. Fukami, N.Ishiwata, Y.Nakatani, H. Kohno, K. Kobayashi & T. Ono Current-induced magnetic domain wall motion below intrinsic threshold triggered by Walker breakdown. Nature Nanotechnology, 2012/09/09/online doi: 10.1038/nnano.2012.151