電流を流さず単一原子磁石の情報読み書きに成功、東大：究極の超高密度メモリへの道拓く

東京大学は、磁気交換力顕微鏡（MExFM）を用い、酸化マグネシウム薄膜上に吸着した単一原子磁石の情報を読み書きすることに成功した。発熱やエネルギー損失が極めて小さい超高密度メモリを実現できる可能性を示した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

探針と原子の間に働く量子力学的な力「磁気交換力」に着目

　東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻の安達有輝特任研究員、上田和樹大学院生、安井勇気助教、杉本宣昭教授らによる研究グループは2026年7月、磁気交換力顕微鏡（MExFM）を用い、酸化マグネシウム薄膜上に吸着した単一原子磁石の情報を読み書きすることに成功したと発表した。発熱やエネルギー損失が極めて小さい超高密度メモリを実現できる可能性を示した。

　HDDなどの磁気記録媒体は、磁気ビットのスピン状態によって情報を記録する。情報の読み出しには磁気抵抗効果を、書き込みには電流駆動の磁場やトルクを、それぞれ用いている。情報の読み書きを行う場合には電流を流す必要がある。このため、素子の微細化がさらに進めば、発生するジュール熱が増えエネルギー損失や誤動作の要因となる。

　そこで研究グループは、電流の代わりに探針と原子の間に働く量子力学的な力の「磁気交換力」に着目した。今回は新たに開発したMExFMを用い、4.5K（約−269℃）の極低温かつ超高真空環境下で、単一のホルミウム（Ho）原子（単一原子磁石）について、磁気情報を読み書きする実験を行った。

　具体的には、先端にコバルト原子を付着させた特殊な磁性探針を用い、Ho原子との間に働く微弱な磁気交換力を測定した。「情報の読み出し」については、Ho原子のスピン状態が「上向き」と「下向き」の時に、探針が受ける磁気交換力の違いを利用。これにより、電流を流さなくてもスピンの向きを識別し画像化することに成功した。測定時のスピン状態は非侵襲的に読み出され、218秒以上も状態が安定して保持されていることを確認した。

　「情報の書き込み」では、探針を極限までHo原子に接近させることで、スピンの向きを反転させることに成功した。この反転が「ひずみ誘起状態混合」の機構によるものであることも突き止めた。これによって、「原子の周辺環境を力学的に変調してスピンを制御する」という新たな書き込みの原理を実証した。

探針との「力」によって単一原子磁石のスピン状態を操作、検出するイメージ図［クリックで拡大］ 出所：東京大学

単一Ho原子磁石の力学的読み出しと書き込み［クリックで拡大］ 出所：東京大学