レアメタルに依存しない次世代メモリ開発が可能に：SiとAlによるナノ傾斜材料を開発

福岡大学と慶應義塾大学、物質・材料研究機構（NIMS）、中国科学院大学は、シリコン（Si）とアルミニウム（Al）を原子レベルで交互に堆積し、その組成をナノメートルレベルで変える「ナノ傾斜構造」を開発した。そして、この材料が従来のプラチナと比べ、高い効率で磁気トルクを生み出せることを発見した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

組成傾斜の幅を最適化すれば、プラチナを上回る性能を発揮

　福岡大学の洞口泰輔助教（研究当時は慶應義塾大学理工学部特任助教）と慶應義塾大学理工学部の能崎幸雄教授、物質・材料研究機構（NIMS）の介川裕章グループリーダー、中国科学院大学カブリ理論科学研究所の松尾衛准教授らによる研究グループは2025年5月、シリコン（Si）とアルミニウム（Al）を原子レベルで交互に堆積し、その組成をナノメートルレベルで変える「ナノ傾斜構造」を開発したと発表した。そして、この材料が従来のプラチナと比べ、高い効率で磁気トルクを生み出せることを発見した。レアメタルを用いない次世代メモリへの応用が期待される。

　情報処理の高速化や大容量化、省電力化が必要とされる中、「スピン」という磁気的な性質を使って、より早く、より効率的に情報を処理できる「スピントロニクス技術」が注目されている。ここで重要となるのが「スピン流」と呼ばれる磁気の流れである。ところがスピン流の生成はこれまで、プラチナなど高価なレアメタルに依存していたという。

　研究グループは今回、シリコンとアルミニウムという一般的な素材をナノメートルレベルで組み合わせたナノ傾斜構造を開発した。この構造にしたことで、電子の流れに生じる回転運動「軌道渦」が局所的に強まり、磁気トルク源となることを突き止めた。

ナノ傾斜材料の軌道渦によるスピン流と磁気トルク発現の概念図［クリックで拡大］ 出所：慶応義塾大学他

開発したナノ傾斜材料の断面写真とz軸方向におけるシリコンとアルミニウムの組成分布［クリックで拡大］ 出所：慶応義塾大学他

　研究グループは、生成されるスピントルク効率を調べた。そして、組成傾斜の幅を最適化すれば、従来のプラチナを上回る性能が得られることを確認した。これは、新しいスピン流生成メカニズムを示すものだという。また、材料の電気伝導性とスピントルク効率を掛け合わせた「性能指数」においても、プラチナを大きく上回ることが分かった。

ナノ傾斜材料の「スピントルク効率」と「交互堆積層の厚み」との関係［クリックで拡大］ 出所：慶応義塾大学他

ナノ傾斜材料の性能指数［クリックで拡大］ 出所：慶応義塾大学他

　開発したナノ傾斜材料は、MRAMやスピントランジスタなど次世代メモリや演算素子への応用が期待される。