2024年7月15日 教授着任講演会「計算科学によるスピン機能材料の理論設計」

電気電子工学系

三浦 良雄

⾃⼰紹介
・1973年⽣まれ、奈良県⽣駒市
・⼤阪明星⾼校卒業

・⼤阪⼤学

⼯学部

応⽤物理学科・⼤阪⼤学

⼤学院⼯学研究科卒業

応⽤物理学専攻修了

博⼠（⼯学）

・東北⼤学 電気通信研究所 助教 （2003年〜2013年）
・京都⼯芸繊維⼤学 准教授（2013年〜2018年）
・物質・材料研究機構（つくば市） グループリーダー (2018年〜2024年) を経て・2024年4⽉より、京都⼯芸繊維⼤学 電気電⼦⼯学系 教授

研究の専⾨は、電⼦物性・計算科学・スピントロニクス・第⼀原理計算

スピンって何︖
・電流の源”電⼦”は、マイナスの電荷、を持ちますが、同時に、スピン(spin) 、も持ちます。
・ほとんどすべての素粒⼦（電⼦や陽⼦や中性⼦）がスピンをもつことが知られています。電⼦のスピンは磁⽯の源となります。
・スピン(spin)、はコマの回転、などを意味する単語ですが物理的には、電⼦の回転（⾃転）、ではありません（ただし、イメージとしてはOK）。

upスピン電子

downスピン電子・スピン(spin)、の正式な定義は、静⽌系の内部⾓運動量です。電⼦の場合、２状態、あります。
電子情報素子に電子スピンを活用すると、消費電力を大幅に削減できる可能性
電子１個の電荷(1C) に真空中で1Vの電圧をかけて加速させたときに得るエネルギー(1eV)を温度に換算すると約11000℃
水素原子の1s軌道の２重縮退の電子に1T（テスラ）の磁場をかけたときのupスピンとdownスピン電子のエネルギー差は約1.1℃

スピントロニクスって何に貢献できるの︖
Nature 561, 163 (2018).

例えば・・・データセンターやネットワークの電⼒消費問題（SNS、クラウド、オープンAI）

ICT関連の電⼒消費予測

通信製造

消費者デバイス

データセンター

2030年には、ICT関係の電⼒消費がグローバルな電⼒消費の5分の１程度を占める予想
⽇本経済新聞2024年1⽉25⽇

⽶国のDCにおける電⼒消費量は26
年に22年⽐で3割増え、⽶国内の総需要の6%に相当する⾒込みだ。
1200カ所以上のDCが稼働する欧州では、26年に同5割増の150テラワット時に拡⼤すると予測する。

スピントロニクスは、これらの課題に不揮発性メモリというデバイスで解決の⽷⼝を⾒出す︕

スピントロニクス・デバイスの例
磁気抵抗素子２枚の磁石（強磁性体金属）の間に磁石でない物質（非磁性体）を挟んだ構造

磁気抵抗効果・・・２枚の磁石のＮ極の相対的な向きの違いにより生じる抵抗の差
２枚の磁石のＮ極が同じ向き
強磁性体
非磁性体
強磁性体

NS

N

S

𝑅 :抵抗が小さい（０）電流

２枚の磁石のＮ極が反対向き
NSS

N

電流

𝑅 :抵抗が大きい（１）抵抗の違いを、情報0と1の区別に用いる。
磁石の向きは電源を切っても変化しないので情報が失われない（不揮発性メモリ）
スピンの向きを電圧信号に変換できることが重要。

CPUとメインメモリをつなぐ、キャッシュと呼ばれる素⼦で、現状の半導体SRAMを磁気メモリMRAMで置き換えることが検討されている。
xtech.nikkei.com/atcl/nxt/news/18/10286/?P=2

サムスン電⼦製造のソニー製GNSS SoCを搭載したというファーウエイのスマートウォッチ「GT2」

MRAMはまずスマート
ウォッチで実⽤化

開発途上の不揮発メモリの比較
Nanotechology 31, 092001 (2020).

抵抗変化メモリ 相変化メモリ

磁気メモリ

強誘電体メモリ

磁気抵抗比

オン・オフ比耐久性
データ保持特性
出力変化特性
線形性
集積密度
エネルギー効率
書き換え速度𝑅𝑅𝑅

MRAMは耐久性・エネルギー効率・書き換え速度に勝る。しかし、ON/OFF比が他の不揮発性メモリと比較して小さい

RRAM: Resistive switching random access memory
抵抗変化メモリ

現状の課題

PCM: Phase change memory
相変化メモリ

大きなON/OFF比(磁気抵抗比)
Large ON/OFF ratio (Magneto-resistance)

FeRAM: Ferroelectric random access memory
強誘電体メモリ

スイッチング時の低消費電力化
Low energy consumption in switching100研究課題その１
磁気抵抗効果の温度依存性の改善

トンネル磁気抵抗(TMR)⽐の温度依存性

強磁性⾦属/⾮磁性絶縁体/強磁性⾦属

強磁性⾦属/⾮磁性絶縁体/強磁性⾦属

Co2MnSi/Al-O/Co2MnSi

Co2MnSi/MgO/Co2MnSi(001)

磁化の温度依存性

R. Y. Umetsu, Scr. Mater.
58, 723 (2008).
Y. Sakuraba, et al., Appl. Phys. Lett. 88, 192508 (2006).

B. Hu, et al., PRB 94 (2016) 094428.

1000K程度の⾼い強磁性転移温度を有しながら、室温(300K)でも磁気抵抗効果が⼤きく劣化する問題

磁気抵抗⽐の温度依存性（第⼀原理計算）
界⾯での有限温度スピン揺らぎを取り⼊れたスピン依存伝導計算

磁気抵抗比の温度依存性(theory)
Y. Miura, et al., PRB 83, 214411 (2011).

スピン反転を考慮

Co2MnSi / MgO / Co2MnSi(MnSi-termination)

界⾯でのスピンの“揺らぎやすさ“が磁気抵抗⽐低下の要因

Co2MnSi / MgO / Co2MnSi(Co-termination)

交換スティフネス

Fe / MgO / Fe

界⾯での”スピンの硬さ”を計算

強磁性体/絶縁体界⾯へのCoFeの挿⼊が有効︕

トンネル磁気抵抗(TMR)効果の新展開
TMR比

100

𝑅

𝑅
𝑅

2008年東北大の604%が世界最高値だった(2022年まで)

室温でのトンネル磁気抵抗(TMR)比２０２３年に１５年ぶり NIMSスピントロニクスグループにTMR比の世界記録 Appl. Phys. Lett. 122, 112404が更新！
(2023)

631%

令和３年度 安全保障技術研究推進制度 成果報告書より

研究課題その２熱安定性を確保しながら0⇔1書き換え時の低消費電力化

素子の微細化に伴う熱揺らぎ耐性の向上
面内磁化薄膜垂直磁化薄膜
素子の形状を丸くできるSide view

Top view

Side view

Top view

アスペクト比2以上S

N

NS

通常の磁石10年の書き換え耐性

𝐾 𝑉
熱安定性指数𝑘 𝑇

一軸結晶磁気異方性定数Kuの大きな材料が必要

N
S

結晶磁気異方性により実現可能！

垂直磁化膜

Ku : 磁気異方性定数80 V : 体積
kB : ボルツマン定数
T : 絶対温度

結晶磁気異方性が大きすぎると、磁化反転時のエネルギー消費が増大して問題となる。

熱安定性を確保しながら磁化反転を低消費電力化するには？
電圧アシスト磁化反転のイメージ

アシスト磁化反転・熱アシスト

電圧E=0

電圧E≠0

電圧E=0

磁気異方性強い

磁気異方性弱い

磁気異方性強い・マイクロ波アシスト
・電圧（電界）アシスト
・応力アシスト
常識として、金属（強磁性体）に電界は入らない！

⇒磁化反転における一時的なエネルギー障壁の低減

電界で、金属強磁性体の磁気異方性は大きく変えられない！
しかし、絶縁体との界面なら電界は入るので、界面磁気異方性なら電界で制御できる！
絶縁体/強磁性体界面の結晶磁気異方性の電界効果が重要！

MgO/Fe(001)界面に電界による電荷分布の変化があるので界面磁気異方性が変調できる！

界⾯結晶磁気異⽅性の歪と電界効果
YM and JO, JPCM 34, 473001 (2022).

軌道モーメントの寄与

四極⼦モーメントの寄与

界面磁気異方性の歪と電界効果

軌道モーメント項

四極⼦モーメント項

界⾯磁気異⽅性の電界効果は、軌道モーメント項が⽀配的。軌道項・四極⼦項は、放射光分光(XMCD,XMLD)で測定可能︕

研究課題その３
新材料探索︓機械学習・量⼦計算機の活⽤

マテリアル・インフォマティクス
元素の種類は、今のところ118通り。
元素番号1番︓⽔素(H)
元素番号113番︓ニホニウム(Nh)
元素番号118番︓オガネソン(Og)
物質の組み合わせは、無限⼤。
その中にお宝(機能的な材料)が眠っている︖

機械学習の⼿法・ニューラルネットワーク
・遺伝的プログラミング・ベイズ最適化
・線形回帰（LASSO, Ridge）
・ランダムフォレスト
・量⼦アニーリング
・・・・

機械学習で効率よく⾒つけよう︕
個⼈的な意⾒としては、新物質そのものよりも、すでに予⾔されている機能的材料の作成プロセスを機械学習で最適化した⽅がよい、と考える。

機械学習・量⼦アニーリングを⽤いたTMR素⼦のバリア層の理論探索
量⼦アニーリングを⽤いた逆スピネル構造
MgGa2O4絶縁体層の元素分布最適化

組み合わせ最適化問題
ナップサック問題

ルート最適化問題

K. Nawa, T. Suzuki, K. Masuda, S. Tanaka, and Y. Miura, Phys. Rev. Appl. 20, 024044 (2023).

陽イオンサ
イトにGaとMgが不規則に占有量⼦アニーリング(組み合わせ問題に特化した量⼦計算)
𝑵

イジングモデルハミルトニアン

𝑯𝑵𝑸𝒊𝒊 𝒙𝒊𝒊 𝟏

𝑵

𝑸𝒊𝒋 𝒙𝒊 𝒙𝒋 材料探索に応⽤
𝒊 𝟏𝒋 𝟏𝒙𝒊 , 𝒙𝒊
0 or 1組み合わせ問題をイジングモデルにマップして、その基底状態を求めることで最適化する。

エネルギー

磁気抵抗⽐

Ising bit descriptor↑↓↑↑ ↓↑↑↓ ↑↓↑↓

量⼦計算機（量⼦アニーラー）
量⼦ビット

⾯積抵抗超伝導磁束リング
エネルギー相関図

D-wave磁気抵抗⽐相関図

⾯積抵抗相関図まとめと今後の展開
１．スピン⾃由度をエレクトロニクス素⼦で活⽤する利点⇒不揮発化・待機電⼒ゼロ化
２．計算科学の観点からのアプローチ
・磁気抵抗効果の有限温度における界⾯でのスピン揺らぎ効果
・界⾯磁気異⽅性の歪と電界効果
・機械学習と量⼦計算機を活⽤した新材料設計

今後の展開
・電⼦間相互作⽤の強い材料系へのアプローチ（第⼀原理計算⼿法の強化）
・情報科学と融合させた、幅広い物質・空間・時間スケールでの材料研究
・計算科学や物性理論は、すべての材料の基礎⇒様々な材料を研究されている先⽣⽅との学内共同研究をぜひ︕