2021年度 提案書 （Web公開用）

作成者： 深見 俊輔（東北大通研）

研究プロジェクト名： スピン軌道トルク磁化反転デバイス設計
概要： 高性能低消費電力集積回路への適用を念頭に、スピン軌道トルク磁化反転デバイスの設計指針を検討する。主に非磁性重金属と磁性金属からなる積層構造を対象とし、スピン軌道トルクの発現メカニズムの理解に基づいて、高性能低消費電力集積回路を実現するための材料、構造の設計指針を明らかにする。

コアメンバー： 深見俊輔（東北大）、金井駿（東北大）、林将光（東大）、千葉大地（阪大）、家田淳一（原研）、渡部杏太（JAXA）, 土肥昂尭（Univ. Mainz), André Thiaville (Univ. Paris-Sud),
Johan Åkerman (Univ. Gothenburg), Pietro Gambardella (ETH Zürich), Hyunsoo Yang (NUS),
Stephané Mangin (Univ. Lorraine), Mathias Kläui (Univ. Mainz), Supriyo Datta (Purdue Univ.),
Andrzej Maziewski (Univ. Bialystok), Axel Hoffmann (UIUC), Kerem Camsari (UCSB), Mark
Stiles (NIST), Aleksandr Kurenkov (ETH Zürich)
期待される研究成果： 非磁性重金属と磁性金属の積層構造におけるスピン軌道トルクの物理的起源、及びスピン軌道トルク磁化反転効率の高い材料や構造の設計指針が明らかになる。また得られた理解に基づいて、スケーラビリティーに優れた高性能スピン軌道トルク磁化反転デバイスの動作が実証されるものと期待される。

2016年度 報告書 （Web公開用）

作成者： 深見 俊輔（東北大通研）

研究プロジェクト名： スピン軌道トルク磁化反転デバイス設計
概要： 高性能低消費電力集積回路への適用を念頭に、スピン軌道トルク磁化反転デバイスの設計指針を検討する。主に非磁性重金属や反強磁性金属と磁性金属からなる積層構造を対象とし、スピン軌道トルク発現機構や磁化反転機構の理解に基づき、高性能低消費電力集積回路を実現するための材料、構造の設計指針を明らかにする。
研究成果（実施状況）：無磁場でのアナログ的な制御が可能な反強磁性PtMnと強磁性Co/Ni積層膜からなるスピン軌
道トルク素子の素子サイズ依存性を調べ、磁化反転様式を明らかにした。またこのアナログ的な振る舞いを利用して人工神経回路網を構築し、脳型情報処理の代表的な動作である連想記憶の基本動作実証に成功した。
主要発表論文等： [1] W. A. Borders et al., Appl. Phys. Express 10, 013007 (2017).
[2] A. Kurenkov et al., Appl. Phys. Lett. 110, 092410 (2017).

2017年度 報告書 （Web公開用）

作成者： 深見 俊輔（東北大通研）

研究プロジェクト名： スピン軌道トルク磁化反転デバイス設計
概要： 高性能低消費電力集積回路への適用を念頭に、スピン軌道トルク磁化反転デバイスの設計指針を検討する。主に非磁性重金属や反強磁性金属と磁性金属からなる積層構造を対象とし、スピン軌道トルク発現機構や磁化反転機構の理解に基づき、高性能低消費電力集積回路を実現するための材料、構造の設計指針を明らかにする。
研究成果（実施状況）： 高い磁気異方性とダンピング定数を有するCo/Pt積層膜のスピン軌道トルク磁化反転特性、及び熱安定性を評価した。高い磁気異方性により100を超える熱安定性指数が得られ、かつ電流での磁化反転が観測された。加えてCo/Ptの積層回数の増加とともに磁化反転効率が増大することが確認された。
主要発表論文等： [1] B. Jinnai et al., Appl. Phys. Lett. 111, 102402 (2017).
[2] C. Zhang et al., Jpn. J. Appl. Phys. 57, 04FN02 (2018).

2018年度 報告書 （Web公開用）

作成者： 深見 俊輔（東北大通研）

研究プロジェクト名： スピン軌道トルク磁化反転デバイス設計
概要： 高性能低消費電力集積回路への適用を念頭に、スピン軌道トルク磁化反転デバイスの設計指針を検討する。主に非磁性重金属や反強磁性金属と磁性金属からなる積層構造を対象とし、スピン軌道トルク発現機構や磁化反転機構の理解に基づき、高性能低消費電力集積回路を実現するための材料、構造の設計指針を明らかにする。
-VI+IYXZ

Nominal:••+VjEA = 20°
100×400 nm2

100 nm

5.0

2.04.01.7 ns

1.5

3.0
1.0

2.0
10 ns

1.00.00

30

0.5
60

Easy axis angle fEA (°)

主要発表論文等： [1] Y. Takahashi et al., Appl. Phys. Lett. 114, 012410 (2019).
[2] Y. Takeuchi et al., Appl. Phys. Lett. Appl. Phys. Lett. 112, 192408 (2018).

900.0Jth (1011 A/m2)

1 mmI array(mA)th

研究成果（実施状況）： 面内磁化容易軸を有するスピン軌道トルク磁化反転素子の素子特性を簡便に評価する試料構造と測定手法を考案し、実証した。
その上で構築した手法を用いた磁化反転電流とパルス幅の関係の磁化容易軸角度依存性を評価し、低電流・高速動作に適した磁化容易軸角度の設計指針を得た。

2019年度 報告書 （Web公開用）

作成者： 深見 俊輔（東北大通研）

研究プロジェクト名： スピン軌道トルク磁化反転デバイス設計
概要： 高性能低消費電力集積回路への適用を念頭に、スピン軌道トルク磁化反転デバ
イスの設計指針を検討する。主に非磁性重金属や反強磁性金属と磁性金属からなる積層構造を対象とし、スピン軌道トルク発現機構や磁化反転機構の理解に基づき、高性能低消費電力集積回路を実現するための材料、構造の設計指針を明らかにする。
5 V

XZ plane

50 V

YZ plane

50 V

XY plane

VDC (V)

研究成果（実施状況）： スピン軌道トルクはサブナノ秒での磁化反転が可能なことから不揮発性磁気メモリ応用などに向けた研究開発が盛んにおこなわれている。
高効率磁化反転を実現するためには大きなスピン軌道トルクを発現する材料の開発が重要であり、そのためには信頼性の高いスピン軌道トルク評価手法が不可欠である。本研究では強磁性共鳴を用いてスピン軌道トルクを定量評価する上での注意点や精度良く測定するための手法を明らかにした。

0 100 200 300 400 0 100 200 300 400 0

0H (mT)

主要発表論文等： [1] A. Okada et al., Phys. Rev. Appl. 12, 014040 (2019).
[2] R. Itoh et al., Appl. Phys. Lett. 115, 242404 (2019).

50 100 150

2020年度 報告書 （Web公開用）

作成者： 深見 俊輔（東北大通研）

研究プロジェクト名： スピン軌道トルク磁化反転デバイス設計
概要： 高性能低消費電力集積回路への適用を念頭に、スピン軌道トルク磁化反転デバイスの設計指針を検討する。主に非磁性重金属や反強磁性金属と磁性金属からなる積層構造を対象とし、スピン軌道トルク発現機構や磁化反転機構の理解に基づき、高性能低消費電力集積回路を実現するための材料、構造の設計指針を明らかにする。
研究成果（実施状況）： 人工ニューロン素子として脳型計算機への応用が期待されるスピンホール発振素子の発振特性の電界による制御について調べた。
ゲート電極に電圧を印加することで、W/CoFeB/MgO積層構造で構成されるニューロン素子の特性を超低消費電力で個別に制御できることを実証し、数値計算からその物理的メカニズムを明らかにした。
主要発表論文等： [1] H. Fulara, M. Zahedinejad, R. Khymyn, M. Dvornik, S. Fukami, S. Kanai, H. Ohno, and J. Åkerman,“Giant voltage-controlled modulation of spin Hall nano-oscillator damping,” Nature Communications 11, 4006 (2020).

2021年度 報告書 （Web公開用）

作成者： 深見 俊輔（東北大通研）

研究プロジェクト名： スピン軌道トルク磁化反転デバイス設計
概要： 高性能低消費電力集積回路への適用を念頭に、スピン軌道トルク磁化反転デバイスの設計指針を検討する。主に非磁性重金属や反強磁性金属と磁性金属からなる積層構造を対象とし、スピン軌道トルク発現機構や磁化反転機構の理解に基づき、高性能低消費電力集積回路を実現するための材料、構造の設計指針を明らかにする。
研究成果（実施状況）： 脳の仕組みに学んだコンピュータ 「脳型コンピュータ」 の実現に向け、脳神経回路で重要な役割を担っているニューロンとシナプスを模した人工素子が開発されている。本研究では、ニューロンの機能を果たすスピントロニクス振動子を数珠状に連結し、その連結部分にシナプスの機能を果たすメモリスタが配置された一体化構造を作製した。そしてこの振動子が位相を揃えて振動する「同期発振」の起こる条件を、連結部分のメモリスタで自在かつ不揮発に制御できることを実証した。
主要発表論文等 M. Zahedinejad, H. Fulara, R. Khymyn, A. Houshang, M. Dvornik, S. Fukami, S. Kanai, H.
Ohno, and J. Åkerman, “Memristive control of mutual spin Hall nano‐oscillator synchronization forneuromorphic computing,” Nature Materials 21, 81–87 (2021).