原子を1個ずつ操作することが可能に、IBM社が原子メモリーに向けて開発

米IBM社は、Co（コバルト）原子を1個ずつ操作する技術を開発したと発表した。この技術を発展させれば、数個の原子で構成したビット・セルが実現できるだろう。

[R. Colin Johnson，EE Times]

　米IBM社は2008年2月22日（米国時間）Co（コバルト）原子を1個ずつ操作する技術を開発したと発表した。この結果、原子大の磁気メモリーの実現に弾みがつきそうだ。今回の技術が開発できた背景には、表面に存在する磁性原子を移動させるのに必要な力を測定することに成功したことがある。この技術を発展させれば、数個の原子で構成したビット・セルが実現できるだろう。

　現在、記録密度が最も高い磁気メモリーでも、1ビットの情報を記録するために約100万個以上の磁性原子を使っている。ところ2007年8月に、IBM社のAlmaden Research Centerにおいて、1個の原子に情報を記録できる可能性を秘めた現象「磁気異方性」を測定するデモを披露した。このデモでは、走査型トンネル顕微鏡（STM）を使って、Co原子に電流を流した。しかし、STMを使って、原子にトンネル電流を流すためには、原子1個分の厚さの絶縁層の上に原子を置く必要がある。このデモを披露した後に、非常に薄い絶縁層は、Co原子に情報を記録する動作に向かないことが分かった。その代わりとして、比較的厚い絶縁層を、STMのトンネリング動作用に用意する必要があることが明らかになった。つまり、原子大のメモリーを実現するためには、Co原子を特定の位置に移動させる方法を開発しなければならなくなったのだ。

　その方法が、今回発表した技術である。同社の科学者であるGerd Binnig氏らが1986年に開発した原子間力顕微鏡（AFM）を利用した。同氏は、Heinrich Rohrer氏とともに、STMの開発でノーベル物理学賞を受賞している。

　IBM社の技術者であるAndreas Heinrich氏は、「AFMを使って原子を移動させる力を測定する方法の研究に取り組んだのは、STMを使うには厚すぎる絶縁層の上に磁気構造を構成するためである。（研究を進める中で）磁性ナノ構造には、比較的厚い絶縁層が必要だと気付いた。そこで、トンネリング電流を必要としないAFMを採用した」と述べた。さらに同氏は、「この結果、極めて少ない数の原子でも情報が記録可能な磁性記録構造を作り上げられるはずだ。1ビットの情報を格納するのに、せいぜい5個の原子を使うだけでよい」と付け加えた。

図1　AFMの先端を使って、Co（コバルト）原子（黄色球体）に力を加えることで、結晶格子上（黒い球体からなる表面）のどの位置にでも移動させることができる。

　現在のハード・ディスク装置における磁区（1ビットの記録に利用する領域）の大きさは、長さが約20nmで、トラック幅は約100nmである。従って、面積は2000nm2である。これに対して、IBM社が定めた目標は、この1/500に相当する微細化である。将来的に、原子大メモリーでは、わずか2nm×2nm（面積は4nm2）の寸法を目指すという。 この大きさまで微細化した磁区に、Co原子を配置するには、移動に必要な力を細かく測定する必要がある。

　さらに原子を動かすのに必要な力は、材料によって異なる。例えば、白金（Pt）からなる滑らかな表面上の特定の位置にCo原子を移動させるのに必要とする力は、210pN（ピコ・ニュートン）である。これに対して、銅（Cu）表面上で、Co原子を移動させるのに必要な力はわずかに17pNである。このほか分子を構成する2つの原子の化学結合を分解するには、この約10倍もの力が必要になるという。Heinrich氏は、「当社で開発している分子スイッチのように、原子の動きが機能の一部を構成する素子（デバイス）の操作に必要な力について、以前よりも理解が深まったといえるだろう。（原子の移動に）必要な力を数値化できたため、先が見えずに走り続けている状態を脱することができた」と述べた。

　この力の測定は、IBM社と独University of RegensburgのFranz Giessibl氏が共同で行った。同氏は、AFMの先端にある微細な突起の隣に取り付けた極めて小さい音叉型水晶振動子を利用する技術を開発した。Co原子を移動させるためにAFMが力を加えると、音叉型水晶振動子の共振周波数が変化する。これを測定することで、原子の移動に必要なエネルギ量を測ることが可能になった。

　IBM社らは、「床の上に置いた箱を滑らせて移動させるために、箱を持ち上げるのと同じように、原子を移動させる際の負荷を減らすために上向きの力を加えたが、原子にはまったく影響を与えなかった。これは驚きだった」と指摘した。横向きの力だけを加えた場合は、原子が分離され、結晶格子の次の位置に移動させることができた。従って、Co原子を使ったメモリー素子を実現する際には、横向きの力だけを加えればよいという。