非磁性体を用いた強磁性体細線中の磁壁移動の検出
Detection of magnetic domain wall motion by using non-magnetic material

１．序論
近年の情報入力端末の市場は情報転送技術の向上により、i-phone, i-pad に代表されるような軽量かつ安価なポータブルデバイスへとその主力が移行してきている。このようなポータブルデバイスにおいては大型、低速なハードディスク（HDD）より小型、軽量で高速なフラッシュメモリが主に使用される。フラッシュメ

守谷 頼 (Rai MORIYA, Ph. D.)

モリが動作する速度は現在 100 ミリ秒程度である。比東京大学生産技術研究所 助教

較して、パソコンの中で最も高速で動作する中央演算(Assistant professor, Institute of Industrial Science, Universityof Tokyo)

処理装置（CPU）の動作速度は 1 ナノ秒程度であり、これらの動作速度の間には 8 桁もの差がある。実際のAmerican Physical Society 日本物理学会 応用物理学会
研究専門分野：半導体工学 磁性 ナノ材料物性

端末内部では CPU とフラッシュメモリの間に何段階もの、情報を一時的に保存するためのメモリが配置されている。しかしこれらのメモリの中でも一番速度の遅いダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（DRAM）の動作速度はおよそ 100 ナノ秒であり、フラッシュメモリとの間に大きな動作速度のギャップが存在する。この速度ギャップのために端末の情報処理速度は FLASH によって大きく限定されている。このギャップを埋めることができる 1 μs 以下の高速動作と、フラッシュメモリ並の高記録密度、長寿命な不揮発メモリは近年“記録クラスメモリ”と呼ばれ、フラッシュメモリと DRAM の市場を全て置き換えるようあらまし強磁性体内には異なる磁気モーメントの方な産業技術として注目されている。

向を持った磁気ドメインが存在する。この磁気ドメイ

このような次世代の記録クラスメモリとして最も注ン間の境界面は磁壁と呼ばれる。磁壁の幅は、材料に目されているのが、IBM によって提唱された、磁気レもよるが 10〜100 ナノメートル程度であり非常に小ーストラックメモリである[1]。レーストラックメモリ

さい。最近この様な磁壁を情報の記憶素子として活用の仕組みについては図 1 を用いて説明する。レーストし、不揮発メモリとして用いる研究が注目を集めていラックメモリでは強磁性体細線中の磁気ドメインに情る。磁性体は情報の保持期間が非常に長いという特徴報を記録する。強磁性体細線には書き込み素子によっを持ち、さらに上述のように磁壁は非常に小さいためて情報が磁化方向として記録される。異なる磁化方向高密度の情報記録に適している。このような磁壁を用を持つドメイン間の境界面が磁壁である。近年スピンいた不揮発メモリへの実現のためには、磁壁への情報トルク効果という現象が発見され、強磁性細線に沿っの書き込み、読み出し方法の確立が重要である。本研て電流を流すだけで電子が流れる方向に磁壁を移動さ究では、磁壁の読み出す方法の確立を目指し、その手せることが可能になってきた。磁壁を移動させた後、法として磁性体を一切使わない非磁性体を用いた磁壁読み出し素子によって磁気ドメインに書き込まれた磁の検出に関しての実験を行った。異方性磁気抵抗効果化情報を読み取ることにより、一組の書き込み、読みを用いることにより、非磁性電極を用いてナノ秒の時出し素子によって全ての磁気ドメインにアクセスでき間分解能で磁壁の運動を観測することに成功した。

る特色を持つ。強磁性体細線の特性として 2 次元の面内方向だけでなく、3 次元すなわち面直方向にも細線
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Detection of magnetic domain wall motion by using non-magnetic material

図１

磁気レーストラックメモリの原理を伸ばすことが可能であるため情報の記録密度が大幅に向上させることが可能である。レーストラックメモリの実現のために最も大きな課題が磁気ドメインに記録された情報の読み出し方法である。これまでに研究されている読み出し技術では強磁性体材料を情報の読み出し素子に用いているため、読み出し素子と磁気ドメインの間の磁気的結合に起因する書き込み情報の不安定化が問題となっていた。本研究では強磁性体を用いない磁気ドメインの検出方法の確立を目指して研究を行った。
研究目的でも述べたように、レーストラックメモリ
では 3 次元に集積された強磁性体細線中の磁気ドメインに情報を記録する[図 2(a)]。情報が記録された磁気ドメイン間の境界面（磁壁）をシフトさせる事によって 1 つの書き込み、読み出し素子により全ての磁気ドメインにアクセスできる特色を持つ。レーストラックメモリの実現のために最も大きな課題が磁気ドメインに記録された情報の読み出し方法である。これまで磁気ドメインの読み出しには、図 2(b)に示すようなトンネル磁気抵抗（TMR）効果を用いることが最も有効と考えられてきた[1]。TMR 効果は磁気ドメイン内の磁化とセンサ層の磁化が並行か反平行かによって、素子に垂直に流れる抵抗の方向が変わる現象である。しかしながらこの方法は、図中赤の矢印で示すようなセンサ層と磁気ドメインの間の磁気的結合により磁気ドメインの移動が影響を受ける事、また素子作製が非常に図２困難である事などの深刻な問題があり、全く新しい読磁気ドメインの読み出し方法み出し方法が求められていた。
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強磁性体には必ず異方性磁気抵抗（AMR）効果といリの基本原理は 2010 年に筆者を含む IBM のグループ

うものが存在するため、磁壁が存在すると強磁性体細によって実験的に示された[6]。この時磁性体としては線の抵抗は変化する。つまり細線の抵抗を測定するだ

パーマロイという磁化が薄膜面内方向を向いている材けでも磁壁の有無は判断することができる。このこと料を使用していたが、その後世界中の研究者により材を利用して、今回筆者らは図 1(c)に示すような非磁性料研究が進められ、薄膜面直方向に磁化が向いている金属を用いて磁壁の AMR を測定することより、磁気垂直磁気異方性を持った材料が現在では主流になってドメインの運動に影響を与えることなく、その移動をいる[7][8][9]。レーストラックメモリの書き込み、読検出できることを提案しその実証実験を行った。また

み出しに関しても世界中で研究が進められているがこ今後の展開として、スピンホール効果[2][3][4]というちらに関しては未だ発展途上であり、新しい手法の確近年発見された効果を用いることによって、図 1(d)の立が望まれている状況である。

ように非磁性体金属の Pt と強磁性細線の接合を作るだけで、磁気ドメインの運動を電気的に検出する手法３．方法と成果を提案する。

これらの背景を踏まえ、本研究では非磁性体を用いた磁壁の運動の検出方法の確立を目指し研究を行った。
強磁性体として NiFeCo を用い、NiFeCo 細線中での２．背景磁壁を用いたメモリに関する提案は古くからあった磁壁の移動速度とその細線形状との関連性に関する研が、実用化に向けた研究が大きく発展したのはスピン究を行った。 図 3 に作製した素子の電子顕微鏡写真

トルク効果の発見以降であろう[5]。スピントルク効果を示す。Au 電極 c1 及び c2 はナノ細線へ直接接してとは何かに関しての詳細は参考文献に譲るとして、こおり細線の電気抵抗を測定するために用いる。電極の効果を用いると強磁性体に電流を流すだけでその磁c3~c8 とナノ細線との間には 50 nm の厚みの酸化アル化方向および磁壁の位置を制御することが可能となる。

ミニウム（Al2O3）が挿入されており、電気的にナノ百ナノメートル以下の小さなサイズでは、スピントル細線と隔離されている。このようなデバイスを用いてク効果は磁場と比べてはるかに効率がよいため、メモ

NiFeCo 細線の長さを一定に保ちながら、その幅およリの高密度化には有利である。スピントルクを最大限び厚みを変化させることにより細線中を運動する磁壁に活用した不揮発磁気メモリが序論で紹介したレースの移動速度を測定した。測定の手順を以下に示す[10]。

トラックメモリであると言える。レーストラックメモ

図３

ナノ細線デバイスの構造

3

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非磁性体を用いた強磁性体細線中の磁壁移動の検出
Detection of magnetic domain wall motion by using non-magnetic material(1) -x 方向に 700 Oe の磁場を印可し強磁性体の磁化をこのようにして磁壁の移動速度 vDW とその外部磁場-x 方向に飽和させる。

依存性を、異なる強磁性体細線の厚み（14 nm, 28 nm）(2) 磁場を細線と+x 方向任意の値（0 ~ 80 Oe）に設定および異なる細線幅（300 nm~600 nm）に対して測定する。この時に細線左端にあるパッド部分に磁壁がした結果を図 5 に示す。図中(a)~(d)が膜厚 14nm、生成される。

(e)~(h)が膜厚 28 nm に相当する。また測定中に細線内(3) パルス発振機（PG）より、電流パルス（パルス幅に流している DC 電流の密度をそれぞれ図中に示して～10 ナノ秒）を電極 c3 と c4 の間に流す。電流パいる。測定結果より磁壁の移動速度は大きく細線の膜ルスによって電極の下には+x 方向の磁場が発生し、厚およびその幅に依存しているということがわかる。

パッド部分の磁壁がナノ細線内に注入される。

この現象は 3 つの領域に分けられる[10][11]。それ(4) 細線内に注入された磁壁は外部磁場によって細線

らは（A）低磁場における磁壁の速度が外部磁場に対右端まで伝搬する。

してほぼ比例して増加する領域、（B）中磁場における(5) 磁壁の異方性磁気抵抗効果により、ナノ細線の抵外部磁場に対して速度が減少する領域、（C）高磁場に抗は磁壁が存在すると低下する。この抵抗の変化をおいて再び速度が増加する領域、の 3 つの領域である。

電極 c1 に接続したリアルタイムオシロスコープを領域（A）と（B）の間で磁壁の速度がピーク構造を持用いて測定することができる。
図 4 に示すように、つ部分はウォーカーブレークダウン（WB）と呼ばれ

電極 c1 と c2 の距離（~20μm）をその間を移動すている[11]。WB より低磁場では磁壁はその構造を保るために要した時間で割ることにより磁壁の移動ちながら外部磁場に沿って並進運動を行うのに対して、速度 vDW が求められる。

WB より高磁場では磁壁はその構造を変化させながら運動するため速度が低下する。

図４

磁壁の移動速度の測定方法

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図５

NiFeCo 細線における磁壁の移動速度と外部磁場 Hx の関係
それぞれ膜厚が 14 nm(a-d)と 28 nm（e-h）の場合

このような WB の現象はこれまでに 1 次元モデルとここで α はギルバートダンピング定数、γ はジャイいう解析的なモデルによって説明できることが知られ

ロ磁気定数、Δ は動的磁壁幅[12]、H⊥は磁壁の異方性ている[11]。筆者らは WB を特徴付ける 3 つのパラメ磁場である。実験より得られたこれらのパラメータをータに注目した。それらは（A）の領域における磁壁

図 6 に示す。ここでダンピング定数 α はそれぞれのの移動度 μ と WB のピーク磁場 HWB、および WB に膜厚に対して α=0.015 (14 nm thick), 0.01 (28 nm

おける速度 vWB である。これらは 1 次元モデルでは以thick) を用いた。この値と実験データを用いて Δ と下のようにあらわされる。

H⊥を求めた結果を図 7 に示す。それぞれ細線の形状にv DW H H
H WB 2
H v WB 2

対して増加または現象している。この 2 つのパラメー

タが細線の幅に関して逆の依存性を示すため、vWB は細線の形状に対してほとんど依存性を示さないことがわかる[図 6(a)]。

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筆者らはさらに、これらの得られたパラメータ Δ とH⊥をマイクロマグネティックシミュレーションと呼ばれる有限要素法解析の結果と比較した[13]。筆者らは実験の細線と同じ膜厚と細線幅、さらに NiFeCo の飽和磁化を用いて計算を行った。ギルバートダンピン
グ定数 α はどの場合も 0.01 を用いた。動的磁壁幅 Δは定常状態で得られる磁壁の構造から、磁壁の異方性
磁場 H⊥はシミュレーション中における WB の磁場から求めた。これらの結果を図 7 に実線で示している。
図からわかるように、実験結果とシミュレーションの結果は良い一致を示している。マイクロマグネティッ
クシミュレーションにおいては NiFeCo の材料パラメータと細線の形状の情報から系のエネルギーを計算している。このことは、実験で得られた Δ と H⊥は、細線の形状特に断面の形状から説明ができるということになる。つまり、磁場下での磁壁の運動においてはギルバートダンピングおよび細線形状の両方が大きく影響しているということを示している。低磁場での移動速度の最大値は形状には依存しないことがわかった。
しかしながら、低磁場での移動度すなわち外部磁場に対する磁壁の移動速度の増加率は細線の形状に大きく
図６依存していることがわかる。細線の膜厚に対して幅を磁壁の(a)ピーク速度、(b)ブレークダウン磁場、及び(c)移動度と細線幅の関係大きくとることで移動度をより大きくできるため、より低い磁場で大きな磁壁の移動速度が得られることが期待できる。

図７ 実験より求めた磁壁の(a)異方性磁場、(b)動的磁壁幅とナノ細線の幅、及び膜厚の関係

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Detection of magnetic domain wall motion by using non-magnetic material(1) 非磁性の Pt 金属を用いるため強磁性ドメインの４．将来展望
今回の研究の結果、強磁性細線中における磁壁の運運動を全く妨げない。

動には 2 つの要素が大きく影響を与えていることがわ(2) 非常に単純な、Pt と強磁性細線の接合構造で磁気かった。それらは (1) 強磁性体の断面形状によって決ドメインの読み出しが可能となる。

定される磁壁の磁気異方性エネルギー、および (2) 強(3) あらゆる強磁性体に適用可能である。

磁性体のギルバートダンピング定数、である。次の展

今回、得られた磁性細線の形状と速度の関係に関す開として、スピン軌道相互作用の大きい非磁性体 Ptる知見を生かして今後さらに日磁性体を用いた磁と強磁性体の接合を作製しスピンホール効果を用いて壁の運動の検出方法の研究が進んでいくことが期

磁壁の移動を検出する方法について述べる。強磁性体待される。

を用いないで磁気ドメインを検出するためには、磁気ドメインの磁化情報、すなわち磁化の向いている方向によって、非磁性に生ずる電気的信号が変化する特徴を持った現象を活用しなければならない。近年、発見されたスピンホール効果はこのような要請を満たしている。スピンホール効果は電子のスピン軌道相互作用に起因しており、伝導電子がそのスピンの方向に応じて異なる方向に散乱される現象である。この逆過程である逆スピンホール効果を用いると、非磁性材料に注入された電子のスピン偏極の向きによって、材料の端に起電力が生じる。この効果を利用することにより、強磁性体ではなくスピン軌道相互作用の大きな非磁性体を用いて細線中の磁気ドメインの運動を検出できると期待される。この手法は、スピン軌道相互作用の大きな非磁性体（Pt）と強磁性細線の単純な接合構造を作るだけで磁気ドメインの読み出しが可能となること、さらに非磁性体を用いるため強磁性ドメインの運動を全く妨げないこと、といった長所がある。スピンホー
図８

ル効果を用いた磁壁移動検出のためのデバイス構造を

スピンホール効果による磁壁検出

図 8 に示す。電流を+I→-I に流すと NiFe の中でスピン偏極された電子が、Pt へ注入される[図 8(a)]。このとき Pt 電極の両端の+V,-V の間の電圧を測定するとス
ピンホール効果により電圧が発生する[2][3][4]。スピンホール起電力は電極直下の磁気ドメインの方向に依参考文献存するため[図 8(a), (b)]、Pt の起電力を測定すること[1] S. S. P. Parkin, M. Hayashi, and L. Thomas,

で磁気ドメインの情報を読み出すことが可能となる。

Science 320 190 (2008).

このようなスピンホール効果をドメインの検出に用い[2] E. Saitoh,るというアイデアはこれまでに報告例がない。この手[3] T. Kimura, Y. Otani, T. Sato, S. Takahashi, and S.

法では以下に示す長所がある。

Maekawa,

7

Appl. Phys. Lett. 88 182509 (2006).
Phys. Rev. Lett. 98 156601 (2007).

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Detection of magnetic domain wall motion by using non-magnetic material[4] S. O. Valenzuela and M. Tinkham,

Nature 442

176 (2006).
[5] D. C. Ralph and M. D. Stiles,

J. Magn. Magn.

Mater. 320 1190 (2008).
[6] M. Hayashi, L. Thomas, R. Moriya, C. Rettner,
and S. S. P. Parkin,

Science 320 209 (2008).

[7] K.-S. Ryu, L. Thomas, S.-H. Yang, and S. Parkin,
Nature Nanotech. 8 527 (2013).
[8] KoyamaT, UedaK, K. J. Kim, YoshimuraY,ChibaD, YamadaK, J. P. Jamet, MouginA,ThiavilleA, MizukamiS, FukamiS, IshiwataN,
NakataniY, KohnoH, KobayashiK, and OnoT,Nature Nanotech. 7 635 (2012).
[9] S. Fukami, M. Yamanouchi, S. Ikeda, and H.
Ohno,

Nature Commun. 4 (2013).

[10] M. Hayashi, L. Thomas, Y. B. Bazaliy, C.
Rettner, R. Moriya, X. Jiang, and S. S. P. Parkin,
Phys. Rev. Lett. 96 197207 (2006).
[11] N. Schryer,J. Appl. Phys. 45 5406 (1974).

[12] Y. Nakatani, A. Thiaville, and J. Miltat, J.
Magn. Magn. Mater. 290-291 750 (2005).
[13] LLG Micromagnetic Simulator developed byMike Scheinfein, llgmicro.home.mindspring.com.

この研究は、平成２２年度ＳＣＡＴ研究助成の対象として採用され、平成２３～２４年度に実施されたものです。

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