スピン注入による磁化反転の動作：福田昭のストレージ通信（32） 次世代メモリ、STT-MRAMの基礎（10）（2/2 ページ）

今回は、磁気トンネル接合（MTJ）素子における、電子スピン注入による磁化（磁気モーメント）の振る舞いについて解説する。

[福田昭，EE Times Japan]

電子を注入する方向の違いで書き込むデータが異なる

　平行状態のMTJを電子スピンによって反平行状態に変えるときは、右端の金属電極（常磁性体）から電子をF2層に注入する。上向き電子は、F2層の磁化とF1層の磁化の両方と同じ向きなので、MTJをそのまま通過して左端の金属電極に抜ける。

　これに対して下向き電子は、F2層の磁化の方向とは逆なので、交換相互作用が起こる。そしてF2層を抜けて絶縁層に到達する。続いてF1層に突入する。ここで厚くて磁化が固定されたF1層は、反対向きの磁化を有する電子を反射する。反射した電子（下向き電子）は再びF2層に入り、F2層の磁化と交換相互作用を起こす。これらの交換相互作用によってF2層の磁化には下向きのトルクが発生する。

　電流密度（すなわち電子の密度）がある程度以上に高くなると、下向きのトルクが増大し、F2層の磁化は下向きに反転する。この結果、MTJは反平行状態（論理値「1」）となる。

磁気トンネル接合（MTJ）素子における磁化反転の仕組み。上の図は反平行状態から平行状態への反転、下の図は平行状態から反平行状態への反転を表す。厚いF1層は固定層、薄いF2層は自由層である（クリックで拡大） 出典：CNRS

磁気モーメントは歳差運動をしながら反転する

　磁化反転が発生するときに、磁気モーメントは真っすぐ回転して反転するわけではない。実際には「歳差運動」（「味噌（みそ）すり運動」あるいは「首振り運動」とも呼ぶ）と呼ぶ、磁気モーメントが傾きながら垂直な方向に回転する運動を伴う。

　例えると、地球の中心から北極に達する磁気モーメントが、緯度方向（南北方向）に移動するときに経度方向（東西方向）への回転を伴いながら、地球の中心から南極に達する磁気モーメントへと移動する動きに近い。極付近では経度方向の回転半径は小さく、緯度方向への移動は緩やかである。赤道付近では経度方向の回転半径は最大となり、緯度方向へは早く移動する。

　自由層の磁気モーメントは、イメージとしてはかなり動きやすい。磁気モーメントが極付近に位置するときは、落ち着きがなくゆらゆらと回転している。そこに大量の電子スピンから大量のトルクを与えると、回転が一気に早まり、くるんと反対の極に向きを変える。反転に要する時間は非常に短い。原理的には1ns（1ナノ秒）を切る。

磁化反転における磁気モーメントの動きのイメージ（右図の赤い曲線）。真上を向いていた磁気モーメントは、歳差運動（味噌すり運動）をしながら、真下へと反転する（クリックで拡大） 出典：CNRS

（次回に続く）

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