阪大ら、省エネ磁気メモリを実現する新原理発見：電圧磁気効果を現状の10倍に

大阪大学の三輪真嗣准教授らは、電気的に原子の形を変えることで、発熱を抑えた超省エネ磁気メモリを実現できる新しい原理を発見した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

新材料開発で電圧駆動型MRAMの実現目指す

　大阪大学の三輪真嗣准教授らは2017年6月、電気的に原子の形を変えることで、発熱を抑えた超省エネ磁気メモリを実現できる新しい原理を発見したと発表した。

　今回の研究は三輪氏の他、大阪大学の鈴木義茂教授、松田健彰氏、田中和仁氏、塚原拓也氏、縄岡孝平博士、Frederic Bonell博士、高輝度光科学研究センターの鈴木基寛チームリーダー、小谷佳範研究員、中村哲也グループリーダー、東北大学の辻川雅人助教、白井正文教授、産業技術総合研究所（産総研）の野崎隆行研究チーム長、湯浅新治研究センター長、物質・材料研究機構の大久保忠勝グループリーダー、宝野和博フェローらが共同で行った。

　研究開発チームはまず、1000万分の2mmという原子レベルで制御した高品質の鉄プラチナ人工磁石を作製した。実験ではこの素子に電圧を印加しながら、大型放射光施設「Spring-8」の磁性材料ビームライン「BL39XU」および、軟X線固体分光ビームライン「BL25SU」で得られるX線を用いて、電圧磁気効果の原理を解明するための実験を行った。

左は電子顕微鏡で観察した素子の断面写真。右は大型放射光施設「Spring-8」のX線を用いた実験イメージ （クリックで拡大） 出典：産総研

　研究チームは、放射光X線を用いた実験と理論計算により、「140の電圧磁気効果を示す鉄プラチナ磁石には2つの機構が混在し、既に1000を超える巨大な電圧磁気効果を潜在的に有している」ことを発見した。

鉄と酸化マグネシウムによる素子と、鉄プラチナ磁石の電圧効果の違い 出典：産総研

　さらに、2つの機構を調節することにより、巨大な電圧効果が得られることが分かったという。これまで、電圧により原子の数が増減する機構A（軌道磁気モーメント機構）が電圧磁気効果の主要因とみられてきた。これだと、電圧磁気効果を高めることは難しいと考えられてきた。今回の研究では、電圧により電子分布が変化する機構B（磁気双極子モーメント機構）を新たに発見した。Spring-8を用いた実験で、電圧による磁気双極子モーメントの変化として観測した。

電圧磁気効果の機構（左が機構A、右は機構B）の模式図 出典：産総研

　理論計算によると、現状の鉄プラチナ磁石は機構Aと機構Bがほぼ相殺され、その結果として電圧磁気効果が140程度になることが分かった。機構Aおよび、B自体は既に1000を超える電圧磁気効果を有している。このため、これらが相乗する材料設計を行うことで、電圧磁気効果が1000を上回る材料開発も可能だとみている。

　今回の研究成果を用いると、現行に比べて10倍の電圧磁気効果を得ることが可能となる。さらに、巨大な電圧磁気効果を示す材料を開発し、電圧駆動型MRAMの実現を目指す考えである。