2022 Fiscal Year Research-status Report
マグノントランジスタによる無配線・電流ゼロコンピューティングへの挑戦
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22K18321
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
関口 康爾 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (00525579)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2026-03-31
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| Keywords | マグノン / スピン波 / 物理リザバー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
マグノントランジスタは情報キャリアとしてスピン波（マグノン）を活用して消費電力が大幅に小さいデバイスを希求する研究分野である。本研究では、マグノントランジスタを活用して電流ゼロコンピューティングを実現するために、物理リザバーと呼ばれる演算素子の要素技術開発に挑戦した。信号処理デバイスへの入力信号解析をするとき、電子演算ではパターン認知などに多くのリソースが使用されてしまうが、波動性を有するマグノントランジスタではスピン波の干渉効果が入力信号の高次元写像を可能にし、パターン認識を代用することが可能と考えられている。
研究当初のシミュレーションでは、微細構造試料における伝搬スピン波を使用することで非線形効果を仮想的に増大することが可能となり、スピン波信号でリザバー動作実現が可能であると予測を立てていた。実験的にパーマロイ薄膜におけるスピン波伝搬およびスピン波干渉を引き起こすために、人工格子構造を作製した。パーマロイ薄膜に周期的に溝をつけることで、各溝が単一スピン波の波源とみなすことができるようにした。磁気光学Kerr効果顕微鏡による時間分解測定を行ったところ、人工格子近傍で、非線形な観測地点場所に強く依存するスピン波信号を検出することに成功した。これらは複数検出点を用いることで特徴量を増加できることを意味している。この技術ではスピン波信号の検出には光学装置を使用しておりその装置規模を考えると、チップサイズの実デバイス応用を考えたときには不利である。そのため、電気的なリザバー動作検出・制御の観点から、マイクロメートルサイズの十字型パーマロイ薄膜を作製し、電気的別モード間スピン波干渉を実験した。表面モードとバックワードモードの干渉により従来の干渉より複雑な信号波形を得ることに成功し、電気的にリザバー応用可能な信号を抽出することに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度のシミュレーションを用いた研究では、スピン波伝搬を微細加工試料形状で制御することで物理リザバー応用可能であることが明らかになった。電流ゼロ演算すなわち物理リザバーへの応用研究は、実デバイスとして実装可能な原理を実現し試料構造を提案する段階になったといえる。電流ゼロ演算素子としてチップへの実装は不可欠であるが、磁気光学測定では試料のあらゆる点を個別に検出することができ、仮想的に演算出力を実現できることを実証したものといえる。磁気損失の比較的大きいパーマロイでチップ応用の基礎を固めたものの、デバイス応用に向けてより磁気損失が低い薄膜の可能性も探る必要がある。これまでに蓄積したスパッタ装置によるイットリウム鉄ガーネット薄膜作製技術の向上を図った。詳細な元素分析によりこれまでの薄膜プロセスにおける問題点を抽出することができ、結晶化の質が上がった試料を作製することに成功した。以上の理由により、電流ゼロコンピューティングの開拓は、順調に進んでいると評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、本年度で開拓した微細構造試料におけるスピン波干渉の電気検出と電気制御についての基礎研究を着実に進めていく。スピン波リザバーは信号入力間の配線を必要とせず波動性を用いることが重要である。そのため現在の１入力１出力の素子構造ではなく、多入力多出力となるような構造設計、実験を行う予定である。電子線リソグラフィーを用いて試料構造をより微細化することで、電気検出アンテナや局所磁場操作アンテナなどを作製していく。一方、光学検出実験では物理リザバーの動作などをいち早く検出することが可能であるため、光学実験も駆使し微細試料構造の最適化を図っていく。
スピン波の伝搬制御を電気で行うことでチップ応用展開を目指し、電流ゼロかつ無配線で演算処理を担えるマグノニックリザバー構築に挑戦する。
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