理研ら,発熱を抑えてスキルミオンを生成

理化学研究所(理研),東京大学,物質・材料研究機構の研究グループは,「表面弾性波」と呼ばれる物質表面を伝わる超音波により,発熱を抑えながら「スキルミオン」を生成することに成功し,その生成過程を明らかにした(ニュースリリース)。

スキルミオンと呼ばれる粒子状のスピン構造は,中心のスピンと外側のスピンの向きが反対であり,その中間部分はスピンの向きが連続的に変化した構造をしている。この中間部分のスピンの向きの変化の仕方が異なるさまざまな型のスキルミオンが存在し,どの型のスキルミオンが安定化するかは,生成される物質の構造によって決まる。

トポロジカル磁気構造をとるスキルミオンには,温度や磁場といった外部からの乱れによって壊れにくい,低電流で発熱を抑えて駆動できるなどの性質があることから,スキルミオンを用いた低消費電力・高信頼性素子の実現への期待が高まっている。

とりわけ,重金属と磁性金属の積層薄膜では,中間部分のスピンが外側を向いた「ネールスキルミオン」が室温以上でも安定化することが明らかになっており,応用の観点から注目を集めている。

一方で,スキルミオンを低消費電力素子に応用するには,スキルミオンの駆動だけでなく,生成の際も発熱を抑える必要がある。しかし,これまでの積層薄膜における電流を用いたスキルミオンの生成方法では,発熱が大きいことが課題だった。

さらにこの方法では,薄膜を特殊な形状に加工する必要があり,薄膜の特定の部分でしかスキルミオンが生成されないという問題もあった。

今回,研究グループは,白金(Pt)/コバルト(Co)/イリジウム(Ir)積層薄膜を,表面弾性波を励起するための電極を持つ素子に加工し,表面弾性波を励起したときの磁気構造の変化を顕微鏡で観察した。

その結果,従来法では課題とされていた積層薄膜の発熱を抑えながら,スキルミオンが生成されたことが分かった。さらにシミュレーションにより,生成されたのはネールスキルミオンというタイプであり,その生成過程で,ネールスキルミオンとアンチスキルミオンというトポロジーの異なる二つのタイプのスキルミオンの対生成が起きている可能性があることを明らかにした。

この研究成果は,トポロジカル磁気構造の一つであるスキルミオンを用いた次世代の低消費電力・不揮発性メモリ素子や論理素子,ニューロモルフィック素子などの実現に向けた,スキルミオンの効率的な生成方法の確立に貢献するとしている。

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