理研ほか、電子スピンの渦「スキルミオン」のサイズと渦の向きを自在に制御できる可能性を発見

理化学研究所、東京大学、物質・材料研究機構は、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、ゲルマニウム(Ge)の化合物「Mn1-xFexGe」で、電子スピンが渦状に並んだ磁気構造体「スキルミオン」のサイズと渦の向きがマンガンと鉄の濃度比で制御できることを見いだした。これはスキルミオンを記録ビットとして用いる省電力磁気メモリ素子の実現に重要な指針を与えるもの。

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物質中の電子は、磁石の源であるスピンの性質を持つ。スピンの集団である磁気構造体を記録ビットとするハードディスクなどの現行の磁気メモリ素子は、電源供給なしに情報を保持できるが、処理速度が遅いという問題があるため、電流で磁気構造体を動かす研究が盛んに行なわれている。スキルミオンは、他の磁気構造体と比べ10万分の1程度の微小電流で動くため、高速で省電力な磁気メモリ素子への応用が期待されているが、素子に集積化し利用するには、そのサイズや渦の向きを自在に制御する手法が必要である。

共同研究グループは、マンガンと鉄の濃度比をさまざまに変えたMn1-xFexGeでスキルミオンを観察。その結果、スキルミオンのサイズ及びらせん磁気構造の周期が5~200 nm(ナノメートル)程度まで連続的に変化すること、渦の向きがマンガンと鉄の濃度比が約1対4となったときを境に反転することを明らかにした。これは、「スピン軌道相互作用」と呼ばれる相対論的な効果がスキルミオンのサイズと渦の向きを決める要素であることを示している。

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