熱による高速・高効率な磁極制御

国立大学法人 大阪大学大学院基礎工学研究科（附属スピントロニクス学術連携研究教育センター）の後藤穣助教、若竹陽介（当時博士前期課程二年）、Ugwumsinachi Kalu Oji（当時学部三年）、三輪真嗣准教授（現東京大学）、鈴木義茂教授は国立研究開発法人 産業技術総合研究所スピントロニクス研究センターの久保田均総括研究主幹、薬師寺啓研究チーム長、福島章雄副研究センター長、湯浅新治研究センター長とGrenoble Alpes UniversityのNikita Strelkov研究員、Bernard Dieny教授と共同で、ナノサイズの磁石の磁極の向きを熱によって高速・高効率に制御することに成功しました。

Society 5.0では必要な時に必要な情報がAIなどを介して提供されることが求められており、その実現のためには情報の記憶とAIに関わるエネルギー消費を大幅に下げる必要があります。本研究はナノサイズの磁石の利用により上記課題の解決を狙ったものであり、その一歩として、熱による磁極の効率的な制御を実現しました。その結果、ナノサイズの磁石が高周波電気信号を増幅するという新たな現象を発見しました。この技術は不揮発性固体磁気メモリーであるMRAMやAIハードウエアの低消費電力化に寄与するものと期待されます。

本研究は内閣府革新的研究開発推進プログラム「無充電で長期間使用できる究極のエコIT機器の実現」（プログラム・マネージャー：佐橋政司）及び総務省「次世代人工知能技術の研究開発、課題Ⅱ 脳型演算処理技術の研究開発」の委託の一環として行われました。

本研究成果は、2019年1月4日発行の英国科学雑誌「Nature Nanotechnology」で出版されます（2018年11月26日午後４時（英国時間）発行のオンライン速報版で公開）。

近年のIoT^注１）やAI^注２）の急速な発展に伴い、情報通信機器の低消費電力化が急務となっています。さらに、度重なる災害時にも長時間動作する低消費電力情報通信端末の実現が最重要課題とされています。これらの課題を解決する手段として、スピントロニクス^注３）が注目されています。スピントロニクス分野では磁石の磁極を利用した不揮発性メモリーである磁気ランダムアクセスメモリー（Magnetoresistive Random Access Memory：MRAM）^注４）の開発が精力的に進められています。MRAMは情報の記憶として磁石の磁極の方向を利用しているため、待機電力ゼロの低消費電力メモリーとして期待されています。また、近年これらの技術をAIハードウエアに適用し、AIの低消費電力化を試みる研究も始められています。この情報を記憶する素子を磁気トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction：MTJ）^注５）とよび、MTJの磁極の向きを小さな電流・電圧で制御することで、素子の消費電力を抑えることができます。これまでは素子にスピン注入^注６）を行うことで情報を書き込む方式のMRAMの開発が進められてきました。しかし、この方式では書き込みを高速にすると書き込み電流が急激に増大するという問題があり、近年我々は素子に電圧を印加して磁石の磁気異方性^注７）を変えることでスピン注入書き込みよりも小さなエネルギーで情報の書き込みができることを報告してきました。この磁気異方性を制御する方式を実用化させるためには、磁気異方性変化の大きさの増大が求められています。これまでは材料探索によって磁気異方性変化の改善が報告されてきましたが、実用化に求められる特性は実現していません。そこで、材料探索だけでなく、別の原理による磁気異方性変化の探求も求められています。

本研究では絶縁体を二層用いたMTJ構造を用いて、ジュール熱による巨大な磁気異方性変化を得ることに成功しました（図１）。通常のMTJ構造では、金属磁石（固定層^注８））｜絶縁体｜金属磁石（自由層^注９））の三層構造ですが、我々の構造では金属磁石（自由層）の両面を絶縁体で囲いました。このことによって、金属磁石（自由層）と絶縁体の間に生じる巨大な界面熱抵抗が熱の拡散を抑制し、MTJに電流が流れた時のジュール熱による金属磁石（自由層）の温度上昇が促進されます。金属磁石（自由層）の温度が上昇すると、磁気異方性が変化するため磁極の方向を変えることができます。MTJに印加した電圧に対する金属磁石（自由層）の磁気異方性を測定すると、電圧に対して二次関数型の依存性を示すことが分かりました（図２）。ジュール熱の大きさは電圧の二乗に比例するため、この結果はジュール熱による温度上昇が磁気異方性を変化させていることを示しています。この曲線の傾きが、我々が求めている磁気異方性変化の大きさに相当します。この時得られた熱による磁気異方性変化の最大値は300 fJ/Vmであることが分かりました。この大きさは既報で高速性が確かめられている電圧による磁気異方性変化の最大値^注１０）に匹敵し、今後さらなる熱拡散の抑制により一層大きくなることが期待されます。この方法では高速に磁化反転しても必要な電圧・電流の増大は無く、高速磁化反転においても省エネルギーな技術となる可能性があります。また、熱による磁気異方性の変化は金属磁石(自由層)全体で生じるため、従来の磁気異方性変化の手法と比べてより大きな膜厚の素子への適応が可能となります。大きな膜厚の磁石は人工知能計算を行う際に必要な技術であり、応用の範囲が人工知能ハードウエアなどに広がることが期待されます。

さらに我々は、このような大きな磁気異方性変化を利用することで、MTJを用いてマイクロ波が増幅される新たな現象を発見しました。図３（左図）にこの現象の概念図を示します。直流電流を印加したMTJにマイクロ波を印加します。入力マイクロ波は金属磁石（自由層）（赤矢印）の温度をわずかに振動させます。その結果、磁極の方向も振動します。磁極の方向の振動はトンネル磁気抵抗効果^注１１）を通じてMTJの抵抗の振動となります。抵抗の振動と直流電流によって電圧が振動し、その電圧の振動がマイクロ波を発生させます。結果として、入力マイクロ波よりも大きな反射マイクロ波が得られます。マイクロ波の増幅に関する従来研究^注１２）では、振動磁場を利用した実験が報告されていますが、得られたマイクロ波パワー増幅率は0.005であり、増幅現象は確認されませんでした。図３（右図）にマイクロ波パワー反射率の周波数と外部磁場に対する依存性を示します。外部磁場50 mTおよびマイクロ波周波数0.4 GHzにおいてマイクロ波パワー反射率1.6程度が得られることが分かりました。この結果はマイクロ波電力が入力マイクロ波に対して60 ％程度増幅されたことに相当します。本研究はスピントロニクス素子を用いて初めてマイクロ波が増幅される現象を実証した実験であり、今後半導体を超えるような新しい特性の発見や高感度・高出力な新規マイクロ波素子への応用が期待されます。

今後はジュール熱による磁気異方性変化を利用して、磁性体を用いた低消費電力人工知能の実現や、磁性体を用いた検波素子や発振素子などのマイクロ波素子の高性能化を図っていきます。

本研究成果は、2019年1月4日発行の英国科学雑誌「Nature Nanotechnology」で出版されます（2018年11月26日午後４時（英国時間）発行のオンライン速報版で公開）。
論文雑誌名：Nature Nanotechnology
論文題目　：“Microwave amplification in a magnetic tunnel junction induced by heat-to-spin conversion at the nano-scale”
　　　　　　「ナノスケールで熱―スピン変換により駆動される磁気トンネル接合を用いたマイクロ波増幅」
著者名　　：Minori Goto, Yosuke Wakatake, Ugwumsinachi Kalu Oji, Shinji Miwa, Nikita Strelkov, Bernard Dieny, Hitoshi Kubota, Kay Yakushiji, Akio Fukushima, Shinji Yuasa, and Yoshishige Suzuki
DOI　　　：10.1038/s41565-018-0306-9

■佐橋政司 プログラム・マネージャーのコメント■

ImPACT佐橋プログラムでは、究極のエコIT機器の実現を目指して、電圧駆動MRAMの開発［プロジェクトリーダー：湯浅新治(産業技術総合研究所)］に取り組んでいます。今回大阪大学と産業技術総合研究所によってなされた「閉じ込められた熱による記憶層磁化(磁石の磁極)の高速でかつ高効率な磁極制御」は、電圧駆動MRAMの高性能化に有益となります。電圧駆動MRAMの開発において最も重要な電圧による磁気異方性変化の大きさを決める電圧効果を記憶層に閉じ込められた熱を使って高めることができるとの新たな知見を提供するものです。また、今回の研究成果は、AIハードウエアの低消費電力化やマイクロ波発振素子の高効率化への波及効果も見込めます。今後は磁性体を用いた低消費電力人工知能の実現や、磁性体を用いた検波素子や発振素子などのマイクロ波素子の高性能化を図っていただくことを期待します。

注１）IoT

Internet of thingsの略で、さまざまなものにインターネットが接続されて相互に情報交換することで、相互に制御する仕組み（およびそれによる社会の実現）を意味します。[参照元へ戻る]

注２）AI

人工知能（Artificial intelligence）の略。人間の知的な能力（例えば言語の理解、推論、学習や問題解決など）をコンピュータを用いて人工的に実現する技術、およびその研究分野のことを意味します。[参照元へ戻る]

注３）スピントロニクス

電子の持つ電気の性質と磁気の性質（スピン）を巧みに利用することで、新しい現象の発現や新しい機能を持つ電子デバイスの創出を目指す学問、および技術を意味します。代表的な電子デバイスとして、ハードディスクドライブの読み取りヘッドや注４で述べるMRAMが実用化しています。[参照元へ戻る]

注４）磁気ランダムアクセスメモリー（Magnetoresistive Random Access Memory：MRAM）

注５で述べるMTJの磁極の方向によって情報の記録を行うメモリーです。既存の半導体メモリーであるダイナミックランダムアクセスメモリー（DRAM）が電源を切ると情報が失われるのに対し、MRAMは電源を切っても磁極の方向は保持されるため情報が失われないという特長があります。 [参照元へ戻る]

注５）磁気トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction：MTJ）

金属磁石｜絶縁体｜金属磁石の三層構造で構成され、絶縁体の両側にある磁石の磁極の相対角度によって電気抵抗が変化する素子です。絶縁体には、2004年に産業技術総合研究所が開発した酸化マグネシウム（MgO）が用いられます。[参照元へ戻る]

注６）スピン注入

電子は磁気の性質（スピン）を持っており、小さな磁石としてふるまいます。磁極の方向がそろった電子を流すことをスピン注入と言います。MTJに電流を流すと、磁石の方向がそろった電子が片側の磁石から絶縁体を通してもう片側の磁石へ流れ、スピン注入が生じます。MTJの磁石は、流れてきた電子の磁石と相互作用するため、MTJの磁石の磁極の方向を制御することができます。[参照元へ戻る]

注７）磁気異方性

磁石の磁極がある特定の方向に向きやすい性質を意味します。この論文で述べている磁気異方性は、MTJの薄膜の面に垂直な方向に向きやすい磁気異方性の大きさのことを議論しています。我々のグループは電圧によって磁気異方性を変化させ、磁極の方向を高速に制御する研究を報告してきました（T. Maruyama et al., Nat. Nanotechnol, 4, 158 (2009), Y. Shiota et al., Nat. Mater, 11, 39 (2012)）。[参照元へ戻る]

注８）固定層

MTJにおける固定層とは、磁極の向きが変化しにくい磁石のことを意味します。[参照元へ戻る]

注９）自由層

MTJにおける自由層とは、磁極の向きが変化しやすい磁石のことを意味します。[参照元へ戻る]

注１０）高速性が確かめられている電圧による磁気異方性変化の最大値

電圧による磁気異方性変化には約１０億分の１秒で応答する高速な現象と、約１００万分の１秒以上の応答速度を持つ遅い現象が報告されており、今回得られたマイクロ波が増幅される現象は高速な現象に対応します。従来研究で高速性が確認されている電圧による磁気異方性変化の大きさは、例えば約３２０ fJ/Vmが報告されています（T. Nozaki et al., NPG. Asia. Mater, 9, e451 (2017)）。[参照元へ戻る]

注１１）トンネル磁気抵抗効果

MTJにおいて二つの磁石の磁極の相対角度によって電気抵抗が変化する現象です。[参照元へ戻る]

注１２）マイクロ波の増幅に関する従来研究

マイクロ波の振動磁場を利用して磁極を振動させてマイクロ波の増幅を試みた従来研究が報告されています。この実験ではマイクロ波パワーを変調させることはできましたが、マイクロ波は増幅されませんでした（K. Konishi et al., Appl. Phys. Lett, 102, 162409 (2013)）。[参照元へ戻る]