東北大ら,磁気記録に必要な電力を大幅削減


東北大学は産業技術総合研究所との共同研究により,外部磁場により容易に磁化スイッチングするソフト磁性材料のNi-Fe(パーマロイ)合金と,磁化スイッチングに大きな外部磁場を必要とするFePt規則合金を組み合わせたナノ磁石を作製した。

Ni-Fe合金における磁気モーメントの渦構造(磁気渦構造,あるいは磁気ボルテックス構造と呼ばれる)の磁化運動を利用すると,FePt規則合金の磁化スイッチングに必要な磁場(磁化スイッチング磁場)を大幅に低減できることを発見し,磁気記憶デバイス情報記録に必要な消費電力を大幅に削減することを可能にした(ニュースリリース)。

現行のハードディスクドライブ(HDD)は,記録ビットとなる磁石一つ一つの向きの方向を変化(磁化スイッチング)させることにより,情報を書き込む。HDDの容量を大きくかつ記録を安定させるためには,㎚レベルの磁石を高密度に配置し,さらに磁化を一方向に保つためのエネルギー(磁気異方性エネルギー)を大きくすることが不可欠となる。

しかしながら,これにより磁化スイッチング磁場が増大し,結果として情報書き込み時の消費電力が増大してしまう。特に,FePt規則合金は次世代の超高密度磁気記憶デバイス材料の有力候補とされている合金だが,現段階では磁化スイッチング磁場が大きいことが実用化に向けた一つの障害となっていた。

研究グループは,Ni-Fe合金層とFePt合金層を積層させた薄膜試料を直径260㎚のナノサイズドットへと加工し,磁化スイッチングの挙動を調べた。その結果,FeNi合金層に磁気渦構造が形成され,高周波の外部磁場を加えることで磁気渦の運動が励起され,Ni-Fe合金層に隣接しているFePt合金層の磁化スイッチングが容易に生じることがわかった。

このスイッチング磁場が低下する原因を調べるためにコンピュータシミュレーションと比較したところ,磁気渦が運動することによってNi-Fe合金層に過剰な磁気的エネルギーが蓄積され,その余分なエネルギーを低減させるために,FePt合金層において磁化スイッチングが生じるという特徴的なスイッチングプロセスが明らかとなった。

磁気渦の運動を利用して隣接する磁石の磁化方向をスイッチングさせる研究報告はこれが初となり,磁気渦の新しい機能が実証されたとしている。今回の成果により,磁気記憶デバイスにおける情報の超高密度化と低消費電力動作の両立に向けた新しい道筋が示されたことになるという。

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