ポイント
- コンピューターや電子回路で情報の切り替えに使われるスイッチング素子は、高速化すると消費エネルギーが増えるため、ナノ秒より速く動作させることは困難とされてきた。この常識を覆し、本研究では反強磁性体を用いて、電源を切っても状態を保持する不揮発性スイッチングを、最短40ピコ秒で、かつ超低省電力で実証した。
- 電子が持つ回転の性質（スピン）の動きを直接利用した量子力学的な仕組みによって、1011回以上繰り返し使える高い耐久性と、非常に低い消費電力を同時に実現した。
- 通信波長帯レーザーと超高速光電変換器で生成した光電流パルスによるスイッチングも実証した。超低省電力性を持つ本光電融合技術がデータセンターI/Oの省エネ化に貢献することが期待される。
東京大学 大学院理学系研究科のTsai Hanshen（ツァイ・ハンシェン） 特任助教、松田 拓也 特任助教（研究当時）、中辻 知 教授らの研究グループは、同研究科 有田 亮太郎 教授（兼：理化学研究所 創発物性科学研究センター チームディレクター）、同大学 大学院工学系研究科の竹中 充 教授、清水 宏太郎 助教、飯塚 哲也 教授、および同大学 物性研究所の三輪 真嗣 准教授、ならびに理化学研究所 創発物性科学研究センターの近藤 浩太 上級研究員（研究当時）（現：大阪大学 先導的学際研究機構 准教授）らと共同で、反強磁性体Mn₃Snを用い、40ピコ秒（ピコは1兆分の1）という極めて短い電気パルスによって磁気状態（2値）を書き換えられる、すなわち、スイッチングできることを示しました。
現在のCPU、GPUでは処理速度が高速になると通常、消費エネルギーが極端に上がるためナノ秒（ナノは10億分の1）以下の動作速度とすることは困難でした。実際、その1,000倍のスピードのピコ秒スイッチングの実現に向けてさまざまな機構が検討されてきましたが、数百度もの温度上昇による耐久性の観点から課題が残されており、ピコ秒スイッチングは実用化に向けてなお研究開発段階にあります。
本研究で用いた反強磁性体デバイスでは、熱に依らない角運動量移行に基づくスピン軌道トルクにより、発熱の大幅な低減と高い耐久性を両立したピコ秒スイッチング動作が可能であることを示しました。これは、従来検討されてきたピコ秒スイッチング機構では到達できない唯一の方法です。さらに、通信波長帯レーザーと光電変換器を組み合わせて生成した60ピコ秒の光電流パルスによっても、同様のスイッチングが可能であることも実証しました。これは、光信号を電気信号へ変換し、そのまま不揮発メモリーへの書き込みに接続する「スピントロニクス光電変換」の基礎実証に相当します。
本研究成果は、国際科学雑誌「Science」の現地時間2026年5月14日付でオンライン版に掲載されました。
本研究は、科学技術振興機構（JST） 未来社会創造事業 大規模プロジェクト型「スピントロニクス光電インターフェースの基盤技術の創成」（課題番号：JPMJMI20A1）、先端国際共同研究推進事業（ASPIRE）「トポロジカル物質に基づく革新的量子エレクトロニクスの創成」（課題番号：JPMJAP2317）、日本学術振興会（JSPS） 科学研究費助成事業（課題番号：JP24K00581、JP22H00290、JP25H01252）の支援により実施されました。
＜プレスリリース資料＞
- 本文 PDF（640KB）
＜論文タイトル＞
- “Picosecond ultralow-power switching device based on an antiferromagnet”
- DOI：10.1126/science.adt3136
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