共同発表：らせん結晶構造を持つ磁石のひねりの数を制御・検出に成功～電子デバイスのメモリー密度の飛躍的な向上が期待～

ポイント

現在使われている電子デバイスでは、「２進法」に基づいた情報処理を行っている。
らせん状の結晶構造を持つ磁石でひねりの数を自在に変化させることで、１つの磁石に多数の情報を埋め込むことに成功した。
巨大な情報処理能力を持つ磁気メモリーや磁気センサーなどへの応用が期待される。

ＪＳＴ戦略的創造研究推進事業において、大阪府立大学工学研究科の戸川欣彦　准教授らは、キラル（対掌性）な磁石単結晶^注１）において、数十から数百もの多段階のらせんのひねり構造が現れ、それらを電気的に検出できることを発見しました。

従来の磁気メモリーや磁気センサーなどの磁石を用いた電子デバイス^注２）では、磁石の向きを利用して“０”と“１”の「２進法」に基づき電気的に情報処理を行っています。本研究では、キラルな結晶構造をもつ新しい磁石で、磁場の強さを変更すると、らせん構造のひねりの数を段階的に１つずつ変えることができ、１つの磁石に多数の磁気情報を埋め込むことに成功しました。さらに、らせん構造がほぐれる様子を、電気信号の変化として検出することに成功し、これまでにない多進数情報を制御できる磁石を実現しました。このような「多進法」による情報処理が可能となれば、磁気メモリーや磁気センサーなどの電子デバイスの情報処理量やメモリー密度が大幅に向上する可能性があります。

本研究成果は、２０１５年１２月１７日（米国東部時間）にアメリカ物理学会誌「Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｂ（Ｒａｐｉｄ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）」のオンライン速報版で公開されます。

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。

戦略的創造研究推進事業個人型研究（さきがけ）

研究領域	「素材・デバイス・システム融合による革新的ナノエレクトロニクスの創成」
研究総括	桜井貴康　東京大学生産研究所　教授
研究課題名	カイラル磁気秩序を用いたスピン位相エレクトロニクスの創成
研究者	戸川欣彦（大阪府立大学　准教授）
研究実施場所	大阪府立大学
研究期間	平成２５年１０月～平成２９年３月

ＪＳＴはこの領域で、材料・電子デバイス・システム最適化の研究を連携・融合することにより、情報処理エネルギー効率の劇的な向上や新機能の実現を可能にする研究開発を進め、真に実用化しイノベーションにつなげる道筋を示していくことを目指しています。上記研究課題では、カイラル磁性体において固有に現れる“巨視的スピン位相秩序”を用い、スピン位相エレクトロニクスの創成に取り組んでおります。

＜研究の背景と経緯＞

現在の情報処理に使われている電子デバイスでは、磁気メモリーや磁気センサーなどの磁石が使われています。磁石を用いた電子デバイスはデバイス内にある２つの磁石の向き（平行配置と反平行配置）を“０”と“１”の２値化（２進数）された電気信号として情報処理を行います（図１）。今後ますます膨張すると予想されるビッグデータ^注３）社会に対応するには、従来の「２値動作^注４）」とは異なる革新的な電子デバイスの動作原理の開発が望まれています。

本研究グループは、物質の“キラリティ（対掌性）”を鍵として、キラルな結晶構造を持つ磁石単結晶に注目して研究を進めています。“キラリティ”とは、「左手－右手」や「左ねじ－右ねじ」のように、鏡の中では互いに映り合うが実際には重ね合わせることができない関係のことを言います。研究グループは２０１２年に片巻きらせん状に配列した磁気構造で、その周期が磁場に応じて変わり試料全体に渡って一様に現れる状態（キラル磁気ソリトン格子^注５））を世界で初めて見出しました（図２）。“キラル磁気ソリトン格子”は巨視的に位相のそろった磁気秩序とみなすことができ、さまざまな量子機能を持つと期待されています。アメリカ物理学会の解説雑誌Ｐｈｙｓｉｃｓにおいて“Ａ　Ｎｅｗ　Ｓｔａｔｅ　ｏｆ　Ｍａｔｔｅｒ（物質の新しい状態）”として紹介されるなど、国内外で“キラル磁気ソリトン格子”に関する研究開発に注目が集まっています。

＜研究の内容＞

研究グループは、“キラル磁気ソリトン格子”が示す“らせん構造のひねりの数”に着目し、キラル磁石の中には多数の磁気情報があるとみなすことができると考えました（図３）。この仮説を検証するために、キラルな磁石であるＣｒＮｂ_３Ｓ_６単結晶を用いた微小な（マイクロメーター（マイクロは１００万分の１））磁気電子デバイスを作製し、電気抵抗を計測し、その様子を電気的に検出しました（図４）。さらに、透過型電子顕微鏡^注６）を用いた高空間分解能観察を行い“ひねりの数”が変化する様子を直接数え上げました（図５）。

その結果、微小な磁気電子デバイスには数十から数百もの磁気状態が形成されており、その磁気状態は磁場を用いて１つずつ多段階に変えることができることを発見しました。さらに、それらの多段階の磁気状態を多値的かつ離散的な電気信号の変化として検出できることを明らかにしました。具体的な研究内容は次の通りです。

【結晶合成】：化学気相輸送法を用いて、高品質で数ｍｍ径のキラル磁石単結晶ＣｒＮｂ_３Ｓ_６を育成しました。
【デバイス作製】：微細加工技術を用いて、数十マイクロメートルサイズの微小単結晶デバイスを作製しました。
【電気計測】：精密電気計測を行い多値的で離散的な磁気抵抗の検出に成功しました。
【透過型電子顕微鏡法を用いた直接観察】：共同研究を行っている英国グラスゴー大学で稼働する透過型電子顕微鏡（日本電子社製ＡＲＭ－２００ＣＦ）を用いて、世界最高性能を誇るローレンツ電子顕微鏡法^注７）による超高空間分解能観察を行いました。微小単結晶デバイスにおいて“キラル磁気ソリトン格子”が離散的に変化する振舞いを直接観察し、離散信号の発現機構である「ソリトン閉じ込め効果^注８）」を発見しました。
【理論研究】：ロシアウラル連邦大学との共同研究により、「ソリトン閉じ込め効果」の発現機構を理論的に解明しました。

物理的には、「ソリトン閉じ込め効果」や「電気的特性の離散化（量子化）効果」は“キラル磁気ソリトン格子”に特有のトポロジカルな性質（ソリトン数を数えることができる）やスピン位相が巨視的に揃った性質（コヒーレント状態）を反映して現れる稀有な物理現象です。このような効果が数十μｍ以上もの試料全体に渡って発現するのは大変興味深いことです。

研究グループは、“キラリティ”というキーワードのもとに、計測や理論を専門とする物理学者と物質合成を専門とする化学者が国際的に連携する研究コンソーシアムを日本・英国・ロシア間に形成して研究活動を行っています。英国はグラスゴー大学物理天文学科、ロシアはウラル連邦大学自然科学研究所、日本は広島大学キラル物性研究拠点がこのコンソーシアムの拠点機関となっています。国をまたがり、それぞれの専門知識・技術を結集させながら研究を進めることで本研究を達成することができました。このような研究活動はこれからの国際共同研究の在り方のロールモデルの１つになると考えられます。

＜今後の展開＞

キラル磁石単結晶を用いた磁気電子デバイスでは多値化された電気信号を扱うことができ、原理的に「多値的なデバイス動作」を可能にすると考えられます。このようなデバイスを配列化して集積すれば、情報処理量やメモリー密度の飛躍的向上が見込まれます。例えば、１０段階の状態を取扱えるデバイスを１０ケ集積すれば１０^１０の情報量を扱うことができ、情報処理量は従来の２^１０とは桁違いに大きくなります。膨大な情報量を処理するビッグデータ時代に対応するには、デバイス動作原理の抜本的な発想の転換が必要であると言われています。キラル磁石単結晶を利用した「多値的なデバイス動作原理」はまだ基礎研究の段階にあります。動作条件やデバイス形状の最適化などその潜在能力を検証していくとともに、市場ニーズを踏まえその応用分野を開拓していくことは重要な研究開発課題です。研究グループは、キラル磁石単結晶に関する基盤学術を確立するため、実験研究と理論研究を両輪として研究開発を進めていきます。

＜付記＞

本研究は、広島大学の井上克也　教授や高阪勇輔　特任助教や秋光純　特任教授、放送大学の岸根順一郎　教授らの研究グループと共同で行ったものです。また、英国グラスゴー大学のスティーブン・マクヴィティ　上級講師、ロバート・スタンプス　教授、および、ロシアウラル連邦大学のアレキサンダー・オプティニコフ　准教授らとの国際的な共同研究により得られた研究成果です。本研究成果の一部は、基盤研究Ｓ「化学制御Ｃｈｉｒａｌｉｔｙが拓く新しい磁性」、頭脳循環を加速する若手研究者戦略的海外派遣プログラム「ナノ材料科学における国際的研究コアの形成」、研究拠点形成事業先端研究拠点型「スピンキラリティを軸にした先端材料コンソーシアム」の支援を受けました。

＜参考図＞

図１　従来の磁気電子デバイスにおける情報処理の原理

磁気電子デバイス内に配置する２つの磁石の向きの配列を“０”と“１”の２値に対応させて「２進法」で情報処理を行っている。

図２　キラルな磁石ＣｒＮｂ_３Ｓ_６の結晶構造とキラル磁気ソリトン格子

キラルな磁石であるＣｒＮｂ_３Ｓ_６単結晶では周期的ならせん磁気構造である“キラル磁気ソリトン格子”が結晶のｃ軸方向に沿って現れる。その周期Ｌは、磁場を加えると、磁場を加えないゼロ磁場状態より徐々に大きくなる。

図３　キラル磁気ソリトン格子の磁場依存性の模式図

キラル磁気ソリトン格子の周期は磁場を加えると徐々に長くなるが、それにともなって“らせん構造のひねりの数”が変わる。例えば、黄色で塗った領域では最大で５ケのひねり（赤矢印）が数えられる。この場合、ひねりの数に応じて６値までの多値的状態を対応づけることができる。

図４　（左）微小ＣｒＮｂ_３Ｓ_６単結晶デバイス（右）電気信号（磁気抵抗）データ

数ｍｍサイズのキラル磁石単結晶ＣｒＮｂ_３Ｓ_６から数十μｍサイズの微細な試料を切り出し、電気特性計測用の微小単結晶デバイスを作製した。電子信号（磁気抵抗：抵抗の磁場依存性）がステップ状かつ多段階に変化していることがわかる。磁気抵抗の変化量は最小ステップ（～２６±７μΩ）の整数倍に離散化している。

図５　透過型電子顕微鏡像法を用いたキラル磁気ソリトン格子の直接観察

左）キラル磁気ソリトン格子のねじれの数（白線で図示）がある磁場で１６ケから１５ケに変化する様子が観察されている。試料は微小ＣｒＮｂ_３Ｓ_６単結晶デバイス。ゼロ磁場では２０ケのねじれを持つ。
右）ねじれの数（正確には、ねじれの密度）の磁場依存性。２０ケから０ケまで１つずつ多段階で離散的に変化していることがわかる。

＜用語解説＞

注１）キラルな磁石単結晶: “キラリティ（対掌性）”を持つ磁性単結晶のこと。キラル結晶軸が単数の六方晶ＣｒＮｂ_３Ｓ_６やＣｓＣｕＣｌ_３、三方晶ＹｂＮｉ_３Ａｌ_９、また、複数本のキラル結晶軸を持つ立方晶ＭｉＳｉやＦｅ_１－ｘＣｏ_ｘＳｉなどが知られている。
注２）磁石を用いた電子デバイス: 磁気テープやハードディスクドライブ（ＨＤＤ）などの磁気メモリー、磁気ヘッドなどの磁気センサー、フィルターなどの磁気電子デバイスなどが知られている。最近では、電子が有する２つの特性（電荷とスピン）の両方を活用するスピンエレクトロニクス研究が注目を集めている。不揮発性などの優れた特性を持つ磁気電子デバイスへの期待は大きく、論理回路用の高速大容量メモリーや論理回路の研究開発が進められている。
注３）ビッグデータ: 情報のデジタル化が進み情報処理技術が向上しているが、その反面、社会情勢や自然現象を解析するためにより膨大な情報量を扱う重要性が認識されるようになっている。将来的には、従来技術では扱えきれない、極めて膨大な情報量が解析対象になると考えられる。ハードウェア・ソフトウェアの広範囲にわたるさまざまな技術革新が必要であると言われている。
注４）「２値動作」と「多値動作」: 従来の電子デバイスでは、デバイス内に発生する電圧の大きさを“０”と“１”の２値化した状態とみなして、「２進法」に基づき、電気的に情報処理を行っている。磁気電気デバイスでは、図１に示すように、２つの磁石の向きの配列を利用することが多い。一方、「多値動作」では多段階の信号を利用して、「多進法」に基づき情報処理を行う。
注５）キラル磁気ソリトン格子: キラル結晶軸が単数の（単軸性の）キラルな磁石では、磁石が片巻きのらせん状に配列したキラルならせん磁気秩序が現れる。特に、キラル結晶軸に垂直な方向へ加えた磁場中では、キラルらせん磁気秩序のねじれが周期的にほぐれ、“キラル磁気ソリトン格子”と呼ばれる非線形で周期的な磁気秩序が現れる。
注６）透過型電子顕微鏡: 電子線を用いた顕微鏡の１つ。高速に加速した電子線を薄片化した試料に照射し、試料を透過してくる電子線を用いて観察する。電子の波長は光の波長より十万倍短いため、電子顕微鏡の空間分解能は光学顕微鏡より格段に高い。原子構造や磁場分布、電場分布を観察することができる。
注７）ローレンツ電子顕微鏡法: 電子線を用いた観察方法の１つ。電子が磁場中でローレンツ力を受けてその進行方向をわずかに変えることを利用して磁気構造を観察する。英国グラスゴー大学では１ｎｍの極めて高い空間分解能でローレンツ電子顕微鏡法観察を行うことができる。
注８）ソリトン閉じ込め効果: キラル磁石のサイズを小さく制限する、キラル磁気ソリトン格子の両端を固定するなどの効果を導入すると、その範囲に含まれるらせん構造のねじれ（ソリトン）の総数が制限され、その変化が離散的になる。そのため、キラル磁気ソリトン格子に関連して発現する物理現象の離散化（量子化）が起きる。

＜論文タイトル＞

“Magnetic soliton confinement and discretization effects arising from macroscopic coherence in a chiral spin soliton lattice”
（キラルスピン磁気ソリトン格子の巨視的コヒーレンスにより発現する磁気ソリトン閉じ込めおよび離散化効果）
doi ：10.1103/PhysRevB.92.220412x