磁気メモリ: 摩擦を減らして省電力

2011年06月27日

マンガンガリウム合金は将来の磁気メモリにふさわしい2つの特性を併せ持っている

図1:マンガンガリウム(Mn–Ga)合金のマンガン原子のスピン才差運動(青い矢印)。2つの超短レーザーパルスでスピン才差運動の誘起とその運動の減衰の計測ができる。Mn–Ga合金は、低い磁気摩擦と高い磁気異方性を併せ持つため、次世代コンピューター・メモリの基盤材料となる可能性がある。
図1:マンガンガリウム(Mn–Ga)合金のマンガン原子のスピン才差運動(青い矢印)。2つの超短レーザーパルスでスピン才差運動の誘起とその運動の減衰の計測ができる。Mn–Ga合金は、低い磁気摩擦と高い磁気異方性を併せ持つため、次世代コンピューター・メモリの基盤材料となる可能性がある。

 

磁性材料はコンピューターの主要な記憶システムに用いられるが、記憶密度の向上が絶えず求められるため、磁気ビットはどんどん小さくなっている。しかし、磁気ビットが小さくなると、記憶データの長期安定性が損なわれてしまう。この問題を解決するため、東北大学原子分子材料科学高等研究機構(AIMR) 1の研究チームらは長期安定性に優れた新規磁性材料を探索しており、このたび、マンガンとガリウムの合金が強力な磁性体であるばかりでなく、低損失でスイッチング可能な性質を持つことを発見した。これは、高速・低電力消費の不揮発性磁気メモリを実現するためのカギとなる特性である。

磁気メモリでは2つの重要な特性が問題になる。1つは、磁気異方性として知られる磁区の磁気配向の安定性である。磁気の向きという形で情報を保持するためには、高い磁気異方性が必要とされる。もう1つは、磁化方向の変化に伴う損失を表す磁気摩擦である。「磁気摩擦が大きいほど、デジタル情報を記録するのに必要な電力は大きくなります」と、研究チームの水上成美准教授は説明する。

ほかの摩擦過程と同じように、磁気摩擦も運動の減衰から調べることができる。この場合に減衰する運動は、傾いて回転するこまの運動に似た、磁化の軸周りの才差運動である(図1)。こまの場合と同様に、磁化の才差運動も外部から力を加えることで引き起こすことができるため、今回は超短レーザーパルスを用いてこの運動を起こした。最初のレーザーパルスを照射してから一定時間後、第二のレーザーパルスを照射して、才差運動がどのくらい減衰したかを調べれば、磁気摩擦係数がわかる。

これまでのところ、高い磁気異方性をもつ材料はすべて高い磁気摩擦係数を示していた。しかし今回、研究者らは、マンガンガリウム合金の磁気摩擦が驚くほど低いことを見いだした。理論計算の結果、マンガンガリウム合金の磁気摩擦が低いのは、この材料で最も高いエネルギーをもつ電子の密度が非常に小さいためであることが明らかになった。つまり、磁気散乱の結果として電子が入る空き状態が比較的少ないことがボトルネックとなって、磁気摩擦を抑制していたのだ。

水上准教授は、今回の発見が、将来の磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)デバイスの開発に独自の貢献をすることを期待している。「磁気摩擦が低く、磁気異方性が高い磁性材料は、いまのところこの合金だけなのです。この2つの特性の両立が、既存のコンピューター・メモリに取って代わるデバイスを開発するカギとなるでしょう」。

References

  1. Mizukami, S., Wu, F., Sakuma, A., Walowski, J., Watanabe, D., Kubota, T., Zhang, X., Naganuma, H., Oogane, M., Ando, Y. & Miyazaki, T. Long-lived ultrafast spin precession in manganese alloys films with a large perpendicular magnetic anisotropy. Physical Review Letters 106, 117201 (2011). | article

このリサーチハイライトは原著論文の著者の承認を得ており、記事中のすべての実験データは同著者から提供されたものです。

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