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電圧で局所的な磁極反転スピードが20倍に向上 ~将来的な磁気メモリの省エネ書込みに新手法~

2012年6月6日


千葉准教授(左)と河口修士課程学生(右)

 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、河口真志 同修士課程学生、島村一利 同博士後期課程学生、日本電気株式会社 (NEC)の深見俊輔氏(現東北大学 助教)、石綿延行氏からなる研究チームは、絶縁膜を介して磁石に電圧を加えることで、室温で磁壁の移動スピードを20倍変えられることを初めて示しました。この発見により、局所的な磁極の反転スピードを大幅に向上できることが分かりました。

 磁気メモリやハードディスクなど磁石を使った情報記録装置では、磁石の磁極の向きを反転することで情報を書き込んでいます。磁極方向を反転するためにはいくつか手法がありますが、その一つに磁壁(異なる磁極方向を持つ磁区と磁区の境界にできるナノスケールの磁化のねじれ領域(図1))移動の利用があります。磁界や電流を加えると磁壁を動かすことができ、局所領域の磁極方向が反転するので、これを高密度情報の書き込みに利用する試みが積極的に行われています。ところが、これまで磁壁の移動スピード(書き込み速度)を応用上必要とされるレベルまで上げるには、強い磁界や大きな電流を加える必要があり、少ないエネルギーでスピードを向上させる手法が求められていました。


図1 素子構造。コバルトの細線の幅は20マイクロメートルです。細線上に、酸化ハフニウム絶縁膜、金の対向電極を配し、コバルトに絶縁膜を介して電圧を印加できる構造となっています。矢印は原子一個一個の磁化方向を示しています。磁化のねじれ構造が磁壁です。図内の赤矢印の方向に磁界を加えると、磁壁は右側に移動し、下向きの磁化領域が広がります。つまり、局所的な磁極反転を引き起こすことができるようになります。

 同チームは昨年、コバルト磁石の薄膜に絶縁膜を介して電圧を加えることで、磁石の性質を消したり元に戻したりできる興味深い現象を報告し、また磁極方向を反転させるのに必要な磁界(反転磁界)についても、加えた電圧によって変化することをつきとめていました。

 今回、この成果を基盤に、同様な素子に電圧を加えた際の磁壁のスピード変化を、電気的・光学的両手法を用いて詳しく解析したところ、反転磁界を決める要因の一つに、磁壁の移動が深く関わっていることが新たに分かりました。さらに、加える電圧によって、磁壁が移動するために越える必要のあるエネルギー障壁の高さが決まり(図3)、その移動スピードを最大で20倍に向上できることを見つけました(図2)。これは、局所的な磁極反転のスピードを向上させる新しい手法となり得る成果です。この新手法によって、少ないエネルギーで応用上必要な磁壁スピードが得られれば、将来的に磁壁の移動を用いた磁気メモリをはじめとする情報記録装置の書き込みに、飛躍的な省エネ化・高速化の道が開けます。


図2 磁壁のスピードの印加電圧依存性。縦軸は対数スケールです。黒・赤・青の点は異なる磁界強度で観測した結果です。正負の印加電圧で、最大で20倍の磁壁のスピードの変化を観測しました。


図3 磁壁スピードが電圧を加えることで変化する概念図。磁界を加えると、磁壁は系の磁気エネルギーを下げる方向へ移動を始めます。このとき、磁壁は細線中にランダムに存在するピンサイトを渡り歩いて移動します。隣のピンサイトに移動するために乗り越えるエネルギー障壁の高さが、負の印加電圧では低くなり、正の印加電圧では高くなることで、磁壁スピードが増減することが分かりました。

 本研究は科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業 個人型研究(さきがけ)の「ナノシステムと機能創発」研究領域における課題の一環として行われました。本研究成果は、2012年6月6日(英国時間16時)に、英国科学雑誌「Nature Communications」(オンライン誌)に掲載されました。

研究の背景と経緯

 ハードディスクや磁気メモリなどではNとSの磁極方向を外部から加えた磁界により反転することで情報を記録しています。これらのデバイス動作の省エネ化・高速化の観点から、電気的に磁極方向をスイッチする手法が盛んに研究されています。中でも、磁壁の移動が注目されています。磁壁とは異なる磁極方向を持つ磁区と磁区の境界にできるナノスケールの磁化のねじれ領域(図1)ですが、磁界や電流を加えることによって動かすことができるので、これによって局所的な磁極方向を反転させることができます。

 昨年、千葉准教授、小野教授、NECからなる研究チームは、絶縁膜をコバルト磁石と対向電極でサンドイッチしたコンデンサのような構造をしている素子(図1)に電圧を加えることで、コバルトの磁力を消したり元に戻したりすることに世界で初めて成功し、また磁極方向を反転させるのに必要な磁界(反転磁界)についても、加えた電圧によって変化することをつきとめました。

成果の内容

 今回、同チームは昨年の成果を基盤に、細線状に加工した金属のコバルトでできた磁石の薄膜を持つ同様な素子に、絶縁膜を介して電圧を印加(電圧を加えること)することで、細線中を移動する磁壁のスピードを最大で20倍変化できることを示しました。

 図1は素子構造です。コバルト薄膜に酸化ハフニウムの絶縁膜を介して金の対向電極を用いて電圧を加え、磁壁のスピードがどのように変化するかを電気的手法と光学的手法の両方を用いて調査しました。図2は観測された磁壁のスピードの印加電圧依存性です(縦軸は対数スケール)。磁壁のスピードは外部磁界を大きくすると早くなることが分かりますが、印加電圧を正負に振ることによっても、一桁以上変化していることが分かります。

 外部磁界を加えなければ、磁壁は通常は元の位置から動きません。細線を作った時に自然にできる、磁壁にとってエネルギーの低い箇所(ピンサイト)に留まるためです。このような箇所は細線中にランダムに存在しますが、外部磁界を加えると、磁壁はそこを渡り歩いて一方向に移動できるようになります(図3)。元のピンサイトより、隣のピンサイトの方がエネルギー的により安定になるためです。ピンサイト間にはエネルギー障壁がありますが、磁壁はこの障壁を熱エネルギーのアシストを受けて乗り越えます。詳しい解析によると、この障壁の高さが、加えた電圧によって高くなったり低くなったりしていることが分かりました。磁壁の移動スピードはこの障壁の高さに指数関数的に依存するため、電圧を加えることでそのスピードを大きく制御することが可能となりました。これは、局所的な磁極反転のスピードを向上させる新しい手法となり得る成果です。

今後の展開

 この新手法によって、少ないエネルギーで応用上必要な磁壁スピードが得られれば、将来的に磁壁の移動を用いた磁気メモリをはじめとする情報記録装置の書き込みに、飛躍的な省エネ化・高速化の道が開けます。磁壁を利用した磁気記録技術は企業などでも積極的に提案・開発が進められる段階になってきており、今後、本成果がその発展に貢献できる可能性が大いにあると考えられます。

 

 本研究は、JST 戦略的創造研究推進事業 個人型研究(さきがけ)「ナノシステムと機能創発」研究領域(研究総括:長田 義仁[理化学研究所])における研究課題「電界による磁化スイッチングの実現とナノスケールの磁気メモリの書込み手法への応用」(研究者:千葉 大地、研究期間:2010年~2013年度)の一環として行われ、一部は、科学研究費補助金 若手研究(A)および科学研究費補助金 基盤研究(S)、最先端研究開発支援プログラム「省エネルギー・スピントロニクス論理集積回路の研究開発」の助成を受けて行われました。

書誌情報

[DOI] http://dx.doi.org/10.1038/ncomms1888

D. Chiba, M. Kawaguchi, S. Fukami, N. Ishiwata, K. Shimamura, K. Kobayashi & T. Ono.
Electric-field control of magnetic domain-wall velocity in ultrathin cobalt with perpendicular magnetization. Nature Communications 3, Article number: 888, 2012/06/06/online
doi: 10.1038/ncomms1888

 

  • 京都新聞(6月7日 23面)、日刊工業新聞(6月7日 21面)および科学新聞(6月22日 4面)に掲載されました。