多層構造化による安定動作高集積周回レーストラックメモリの実現のための研究

Research Project

Project/Area Number	22K04913
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 29010:Applied physical properties-related
Research Institution	National Institute of Technology(KOSEN),Numazu College
Principal Investigator	大澤友克沼津工業高等専門学校, 電気電子工学科, 准教授 (60414108)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000) Fiscal Year 2024: ¥130,000 (Direct Cost: ¥100,000、Indirect Cost: ¥30,000) Fiscal Year 2023: ¥130,000 (Direct Cost: ¥100,000、Indirect Cost: ¥30,000) Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Keywords	レーストラックメモリ / スキルミオン間相互作用 / スキルミオントンネル現象 / 磁性多層膜 / スピン流 / 磁性／非磁性多層膜
Outline of Research at the Start	不揮発性のワーキングメモリとして実現が期待されているレーストラックメモリは、磁性細線に並べられた磁区やスキルミオンをスピン偏極電流で駆動する。ビット当たりの読書部の数が少なく構造が単純で、大容量化が期待されている。本研究では、記憶容量の倍増を目指した周回構造化実現のため、情報担体として利用するスキルミオンの非磁性絶縁体トンネル現象を解明する。更に、多層構造を用いることでデータ保持(安定動作)に必要なスキルミオン間距離を保持する方法を示す。
Outline of Annual Research Achievements	本研究は、スキルミオンを情報担体として用いた高集積周回レーストラックメモリの安定動作を目的としている。レーストラックメモリは、磁性細線に並べられた磁区をスピン偏極電流で駆動する。ビット当たりの読書部の数が少なく構造が単純で、大容量化が期待できるが、（１）安定動作のために磁区間隔を保つことや（２）大容量化に対する構造上の欠点を解消することが実用化に向けた課題である。計算には、マイクロマグネティクスシミュレーションを用いる。 2022年度は、（１）について研究を行った。スキルミオン間隔を保つため、データ層とトリガ層の2層の磁性細線構造を提案した。2層間は絶縁層であり、計算では真空として取り扱う。データ層では、スキルミオンが存在する箇所と存在しない箇所がある。トリガ層ではスキルミオンが等間隔で一様に密に並んでいる。トリガ層のスキルミオンは密なため，電流駆動で間隔が保持される。つまりトリガ層の影響でデータ層のスキルミオン間隔が保持されると期待される。データ層とトリガ層を想定し、データ層の任意の位置にスキルミオンを配置した場合には、時間経過によるスキルミオンの移動が見られず、データが保持されることが確認された。データが保持された状態でトリガ層のみにスピン偏極電流を流した場合、小さな電流ではデータ層のスキルミオン間隔を保持したままスキルミオンの移動が確認された。また大きなスピン偏極電流では、データ層のスキルミオンがトリガ層のスキルミオンの移動に追従できず、制御できないことが分かった。その時の臨界電流は、絶縁層が厚いほど小さく、またトリガ層が厚いほど大きくなることが確認できた。小さな電流でも制御可能なことから、低電力素子での利用が見込まれる。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本研究は、大きく２つの課題に分けられる。１つはスキルミオン間隔の安定化であり、もう一方は周回構造レーストラックメモリに必要となるスキルミオントンネル現象である。１つ目のスキルミオン間隔の安定化については、トリガ層のみに電流を流す省電力化を目指した研究成果として論文発表している（J. Phys. D: Appl. Phys. 55 (2022) 475002 (7pp)）。１つ目の残る課題として、トリガ層とデータ層それぞれに電流を流して安定化すことによる、転送速度の高速化がある。今年度以降、その課題に取り組む。２つ目の課題であるスキルミオントンネル現象については、非磁性絶縁体を２つの強磁性金属で挟んだ３層構造を考え、予備計算を行っている。すでに積層構造を階段状に変化させて正味の強磁性金属厚を一定にし、スキルミオンが感じる形状変化を小さくさせた構造のコードを作成済みである。以上のことから、全体の計画に照らして、おおむね順調に進展していると考えられる。
Strategy for Future Research Activity	スキルミオン間隔安定化の残る課題として、トリガ層とデータ層それぞれに電流を流して安定化すことによる、転送速度の高速化がある。今年度以降、その課題に取り組む。また非磁性絶縁体を用いたレーストラックメモリの周回構造化に向けて、非磁性絶縁体を強磁性金属で挟んだ3層構造を考える。下層のスキルミオンが進行し、上層がスキルミオンの形状に転写されれば、磁気的な性質で離れた空間を移動し、非磁性絶縁体をトンネルしたことになる。単純な３層構造だけでなく、積層構造を階段状に変化させ、正味の強磁性金属厚を一定にし、スキルミオンが感じる形状変化を小さくさせた構造でも計算を行う。このように様々な構造でシミュレーションを行う。強磁性金属として、実験でスキルミオンの電流駆動が観測されているTbFeCoやCoFeBの磁化パラメータを用いる。非磁性絶縁体の領域では、飽和磁化と電流値をゼロにする。非磁性層厚、スピン偏極電流の電流値、交換結合の強さ、温度などをパラメータとし、スキルミオンが下層の強磁性金属から上層の強磁性金属へ移動するかを調べ、どのような構造がスキルミオンの非磁性絶縁体トンネルにより適しているかを明らかにする。本研究はマイクロマグネティクスシミュレーションにより磁化状態の時間発展を計算するため、長時間の計算では計算誤差が大きくなると考えられる。そのため必要に応じて倍精度計算を実行し、計算精度の確認を行う。