研究紹介
丸文研究奨励賞 受賞者

ナノスケール磁性体における磁壁ダイナミクスと伝導現象の理論― 次世代磁気メモリに向けた基礎研究 ―多々良 源
首都大学東京 都市教養学部理工学系 准教授
科学技術振興機構さきがけ 研究員

目的、背景作用しているという複雑な状況を記述する用につながると期待されています。こうしたことが必要となるからです。こうした理論的不揮発性コンピュータでは、今のように毎現代の情報機器は半導体からつくられ記述には、元々素粒子物理学で構築され回使う度に電源を入れて起動するのを待るCPUなどの演算装置と、結果や情報をた場の量子論という枠組みが非常に有効つ必要がなくなり、瞬時に起動し前回の作記録をする記録装置からなっています。記です。

業を即続けることができるようになります。

録装置には大抵の場合ハードディスクなどの磁気記録が用いられています。磁気記

Bergerの磁壁移動メカニズムの磁気抵抗

微小磁石の電流による制御

録では情報は微小磁石のNS極の向きとメモリへの応用はIBMのParkinが研究しています。我々の研究はこの電流による磁して記録されます。情報機器分野は高性磁石の発見はおそらく何千年も前にさか能化が著しく、ハードディスクを例にとるとのぼりますが、人が磁石の向きを磁場で制10年ほど前では100MB程度だったものが、御できるようになったのは19世紀で、以来今は1000倍の容量を持つ100GB規模のずっと磁場で制御してきました。最先端のものが標準となってきています。大容量化

磁気記録でも微小磁石の向き（磁化とよ壁移動が対象です。

主要な研究成果
これまでに、確かにナノ磁石の磁壁は電が実現されるためには、記憶単位の微小磁ばれます）を磁場で反転させて記憶させる流で制御できることが実験的に確認されて石サイズをどんどん小さくすること、また同ことには変わりありません。しかしこれは磁きています。しかしまだ磁壁移動にはかな

時に、情報読み取りの感度の向上の2つ場発生のための回路を別に用意する必要りの大電流密度（金属系では1012［A/m2］、が必須です。既に微小磁石サイズは1ミクがあり、高集積化においてはあまり得では磁性半導体で10 9［A/m 2 ］程度）が必要ロン（=0.001ミリ）よりも小さいものになっありません。磁場を用いない磁石の制御方で、効率のいい記録デバイスには程遠いのていますので、将来に向けて高密度化を進法としては、早くも1978年頃から磁石の磁が現状です。つまり低電力化が今の最もめるためには、ナノサイズの磁石の制御が区の境界である磁壁を内部を流れる電流重要な課題であるわけです。このためには必須の技術となってきます（ナノ=0.001ミで直 接 動かすというアイデアに基づき、電流による磁化反転のメカニズムを正しくクロン）。これらを制御するためにはまずナBergerにより一連の先駆的理論研究が理解して、必要な電流（臨界電流）は何がノ磁石の持つ性質を理解することが必要

行 わ れました 。1 9 9 6 年 には I B M の決めているのかを知る必要があります。私で、このためには現代物理学の理論体系

Slonczewskiにより、微小磁性多層構造たちの研究では、Bergerの電流による磁を用いた理論面からの研究も不可欠です。というデバイスに用いやすい構造での提案

壁移動のアイデアを、現代的視点から見直ナノの世界には量子性という変わった性質が行われ、以後精力的な研究が始まり現し微視的定式化を行い、現象の理解と応があり、またナノ磁石は決して孤立している在に至っています。電流による制御が実現用を念頭に磁化反転の効率化に向けてのわけではなく、特に読み取りに関しては電流すれば高集積化した磁気抵抗メモリ（MRAM）研究を進めています【1-4】。その研究により、などと相互作用しているのでこれを正しく記の開発につながり、電源を切ってもメモリにナノの世界では磁石と電流は強い影響を述すること、つまりたくさんの自由度が相互情報が残った不揮発性コンピュータの実及ぼし合っており、それを利用してナノ磁石

図1 磁壁とそこを通り抜ける電子の概念図。磁壁は多数のスピン（矢印）がねじれた構造で、矢印を持つ丸が電子とそのスピンである。

図2 磁壁の運動は位置Xとスピンの傾きφで記述される。

に対しての様々な制御が電流によって行た。これも磁壁を強く変形させるほどの大確な同定にもはじめて成功しました。磁壁えることが明らかになってきています。また、電流が必要で、応用のためには動作電流デバイスとしてみると低電力での20MHzのナノスケール原子接合における磁気抵抗を下げることが課題です。

動作に成功したことになります。この実験に理論面からのサポートを行いました。の研究など、微小磁石の情報読み取りにつながる基礎研究も行っています。代【6】交流電流による磁壁操作

【4】

今後の展望

表的な成果は次のようなものです。
慶応大のグループは、最近ナノ磁性体電流のもとでの磁壁の運動の定式化【2】磁壁と電流との相互作用は微視的には電流を運ぶ電子のスピンと磁壁をつくるスに磁壁を閉じ込め交流電流をかけることで以上我々の理論研究を中心に紹介しま「磁壁粒子」を共振させ効率よく動かすこしたが、現状では金属系での実験結果はとに成功しました。共鳴の様子から「磁壁完全には理解されていません。これに対し粒子」の質量や摩擦係数、働いている力て理論面から新たな提案もされています。

や磁壁による電気抵抗などの特徴の正【5】例えばスピン緩和などから新しい形のトルピン（磁化）との交換相互作用から生じまクが生じたり、それと連動して外的なピン止す。この相互作用は2種類のスピンがお互めが磁壁移動に大きく影響する可能性がいの回りを歳差運動させるような力を生じ、あり、我々も微視的立場からそうした可能これにより電流が磁化を回転させ、結果的性を調べています。今後実験と理論のつに磁壁を動かすことになります。磁壁はそきあわせにより現象の理解をさらに進め、2の位置Xと、磁化の傾きφの二つの変数で桁小さい電流値での磁壁移動を実現する記述されます。このことを非平衡グリーン関数を用いて定式化し、磁壁の運動方程式を導出しました。その方程式を解いた結果、ことが目標です。
図3 電流による磁壁移動と生成を用いたメモリサイクルの概念図。

磁壁は電流をかけてもφで表される形状の変形をするだけで動き始めない領域があることがわかりました。これは磁壁が通常の粒子とは異なり内部構造を持っいることの顕著な現れです。応用のためには動かすために必要な電流（臨界電流）を小さくすることが必要で、これにはサンプルの形状を工夫し磁気異方性エネルギーを制御す補足説明

R e f e r e n c e s（ 参 考 文 献 ）ることが有効であることが予想されます。

●スピン電子などの持つ量子力学的自由度。微小な磁石と思って良い。通常の磁石もスピンの多数の集まりからなっている。

【1】多々良源、河野浩、柴田絢也、齊藤英治、固体物
理40, 545-558（2005）.

電流による磁壁生成【3】電流で磁壁を動かせれば磁気メモリとしてみれば情報消去ができることになりますが、書き込みを従来のように磁場でやるのではあまりメリットはありません。我々は理論計算によって、書き込み、つまり磁壁生成も原理的には電流で行えることを示しまし●磁化
磁性体の磁石としての向きと強さの分布を体積当たりで表した量。各点でのスピンの向きに比例する。
●磁壁強磁性体などで磁化が空間的に変化する時に現れるねじれた構造。長さはだいたい10-100nm 程度である。

【2】Gen Tatara and Hiroshi Kohno, Phys. Rev.
Lett. 92, 086601（2004）.
【3】 Junya Shibata, Gen Tatara and Hiroshi
Kohno, Phys. Rev. Lett. 94, 076601（2005）.
【4】 Eiji Saitoh, Hideki Miyajima, Takehiro
Yamaoka and Gen Tatara, Nature, 432, 203（2004）.
【5】Gen Tatara and Hidetoshi Fukuyama, Phys.
Rev. Lett. 78, 3773（1997）.
【6】Gen Tatara, Yuwen-W. Zhao, Manuel Munoz,
and Nicolas Garcia, Phys. Rev. Lett. 83, 2030
（1999）.