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スキルミオントランジスタの開発

研究課題

研究課題/領域番号 23K13660
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分29010:応用物性関連
研究機関大阪大学

研究代表者

石川 諒  大阪大学, 大学院工学研究科, 招へい研究員 (50857696)

研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2025年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2024年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2023年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
キーワードスキルミオン / VCMA / 新原理コンピューティング / スピントロニクス / ブラウン運動 / スパッタリング
研究開始時の研究の概要

スキルミオンは、トポロジカルな安定性から次世代の情報担体として期待されており、スキルミオンのブラウン運動を利用した新原理のコンピュータへの応用が提案されている。スキルミオンの外部制御が応用上必須であるが、実験的にスキルミオンを制御した報告は電流を利用した制御がほとんどである。より低消費電力なスキルミオン素子を実現するためには電圧による制御方法が必須である。本研究では新たな制御方法として2つの方式によりスキルミオントランジスタの開発を目指す。本申請で提案する方法によりスキルミオンによる情報の入力をより低消費電力で行えるかどうかを検討し、スキルミオンブラウニアンコンピュータ実現への道筋を示す。

研究実績の概要

ブラウン運動を示す磁気スキルミオンを用いた新原理コンピューティングの実現に向けた試みとして、2023年度は(1)電極を同一面上に形成したデバイスの作製と外部からの制御性の評価、(2)スキルミオン間の情報の流れの評価の2つの内容を実施した。本研究ではスキルミオンが出現する磁性多層膜をマグネトロンスパッタリング法により作製した。膜構造および各層の膜厚により垂直磁気異方性を制御し、任意の温度範囲でスキルミオンが出現する試料を作製し、微細加工によりいくつかの異なるデザインのデバイスを作製した。
(1)について、磁性層の磁気パラメータに傾斜を形成可能なデバイスでは傾斜の向きに応じてスキルミオンがブラウン運動する様子が確認できた。このデバイスにおいてスキルミオンの運動を詳細に解析すると、スキルミオンの運動は拡散的な振る舞いとドリフト的な振る舞いの両方を示す可能性が示唆された。
(2)について、量子ドットセルラーオートマトンをスキルミオンで模した素子を作製し、評価した。具体的には1つのセルに2つのスキルミオンを閉じ込めたセルを複数並べた多数決回路を実装し、ブラウン運動とスキルミオン間の反発相互作用によりゆらぐスキルミオンの配列を確率的な時系列データとして扱い、1つのセル内部のスキルミオン同士および異なるセル内のスキルミオンについて、相互情報量と移動エントロピーを評価した。評価の結果、セル内のスキルミオン間で情報が伝達する速度が従来の研究よりも約20倍高速であることや異なるセル内のスキルミオン同士の相互作用が非常に弱く、セルの間隔が重要なパラメータであることが明らかになった。
スキルミオンの運動、スキルミオン間の情報のやりとりに関する知見を得ることでスキルミオンを情報担体として用いる新原理のコンピューターの評価が可能になる。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

磁気異方性の傾斜を用いたデバイスにおけるスキルミオンの運動について外部制御を行う上で重要な知見を得たため。
ただし、その他に試作した素子ではスキルミオンの外部制御ができておらず、より低エネルギーで動作するデバイスのデザインを考案する必要があるため。
スキルミオン間の情報流れの解析について、当初予定していなかった成果が得られたため。

今後の研究の推進方策

引き続きスキルミオンの外部制御を省エネルギーで行うデバイスの作製と評価を行う。
電界を利用した磁性層の磁気パラメータ変調を利用した素子を作製する予定である。
外部制御によりスキルミオン素子への情報入力を試みる。

報告書

(1件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 研究成果

    (22件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件) 学会発表 (19件) (うち国際学会 8件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Hysteresis-free voltage gating of the skyrmion2024

    • 著者名/発表者名
      Kasagawa Mikito、Miki Soma、Hashimoto Ken Tanaka、Shimmura Akifumi、Ishikawa Ryo、Shiota Yoichi、Goto Minori、Nomura Hikaru、Suzuki Yoshishige
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 124 号: 12 ページ: 122407-122407

    • DOI

      10.1063/5.0192981

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Spatial control of skyrmion stabilization energy by low-energy Ga+ ion implantation2023

    • 著者名/発表者名
      Miki S.、Hashimoto K.、Cho J.、Jung J.、You C. Y.、Ishikawa R.、Tamura E.、Nomura H.、Goto M.、Suzuki Y.
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 122 号: 20 ページ: 202401-202401

    • DOI

      10.1063/5.0153768

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] 新原理コンピューティングに向けた磁気スキルミオン制御手法の開発2023

    • 著者名/発表者名
      石川諒, 三木颯馬
    • 雑誌名

      日本磁気学会会報まぐね

      巻: 18(5) ページ: 1-6

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Evaluation of information current between skyrmions in cellular automaton-type device2024

    • 著者名/発表者名
      Kota Emoto, 〇Ryo Ishikawa, Hiroki Mori, Soma Miki, Minori Goto, Hikaru Nomura, Eiichi Tamura, Yoshishige Suzuki
    • 学会等名
      第71回応用物理学会 春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Hysteresis-free voltage control of the skyrmion2024

    • 著者名/発表者名
      M. Kasagawa, 〇S. Miki, K. Hashimoto, R. Ishikawa, Y. Shiota, M. Goto, H. Nomura, Y. Suzuki
    • 学会等名
      第71回応用物理学会 春季学術講演会 2024年3月23日
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 磁気スキルミオンの電圧制御における履歴現象の解消2024

    • 著者名/発表者名
      笠川未来翔, 三木颯馬, 橋本(田中)拳, 新村晨文, 石川諒, 塩田陽一, 後藤穣, 野村光, 鈴木義茂
    • 学会等名
      「スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワーク(Spin-RNJ)」シンポジウム(2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Elimination of voltage hysteresis of magnetic skyrmions2024

    • 著者名/発表者名
      M. Kasagawa, 〇S. Miki, K.T. Hashimoto, R. Ishikawa, Y. Shiota, M. Goto, H. Nomura, Y. Suzuki
    • 学会等名
      第27回 半導体におけるスピン工学の基礎と応用 2024年3月16日
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Current-driven skyrmion reservoir computing2024

    • 著者名/発表者名
      M. Taguchi, R. Ishikawa, S. Miki, H. Nomura, M. Goto, Y. Suzuki
    • 学会等名
      第27回 半導体におけるスピン工学の基礎と応用
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Investigation of side-gated skyrmion device2024

    • 著者名/発表者名
      R. Ishikawa, S. Miki, M. Goto, H. Nomura, Y. Suzuki
    • 学会等名
      第27回 半導体におけるスピン工学の基礎と応用
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Analysis of information current between skyrmions in cellular automaton-type device2023

    • 著者名/発表者名
      K. Emoto, H. Mori, R. Ishikawa, S. Miki, M. Goto, H. Nomura, E. Tamura, Y. Suzuki
    • 学会等名
      The 68th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Voltage control of the skyrmion phases and its Brownian motion2023

    • 著者名/発表者名
      M. Kasagawa, S. Miki, K. Hashimoto, R. Ishikawa, M. Goto, H. Nomura, Y. Suzuki
    • 学会等名
      The 68th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Voltage-controlled Skyrmion Brownian Devices with Zero- Or Ultralow-Energy Consumption2023

    • 著者名/発表者名
      R. Ishikawa, S. Miki, M. Goto, H. Nomura, E. Tamura, Y. Suzuki
    • 学会等名
      The 68th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Co2FeAl0.5Si0.5/GeSn 接合のスパッタリング法による作製と結晶性と磁性の評価2023

    • 著者名/発表者名
      河原林雄大, 國吉望月, 竹内将人, 石川諒
    • 学会等名
      第47回日本磁気学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 磁気スキルミオンのブラウン運動におけるカイラルな回転のポラリティ依存性2023

    • 著者名/発表者名
      三木颯馬, 新村晨文, 後藤穣, 田村英一, 塩田陽一, 大兼幹彦, Jaehun Cho, Chun-Yeol You, 石川諒, 野村光, 鈴木義茂
    • 学会等名
      第47回日本磁気学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 電圧制御によるスキルミオンの相変化2023

    • 著者名/発表者名
      笠川未来翔, 三木颯馬, 石川諒, 後藤穣, 野村光, 鈴木義茂
    • 学会等名
      第47回日本磁気学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] スキルミオン間の情報の流れの評価2023

    • 著者名/発表者名
      江本紘汰, 石川諒, 三木颯馬, 後藤穣, 野村光, 鈴木義茂
    • 学会等名
      第47回日本磁気学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] スキルミオンによる情報入力素子の作製2023

    • 著者名/発表者名
      石川諒, 後藤穣, 野村光, 鈴木義茂
    • 学会等名
      第47回日本磁気学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Information dynamics in the skyrmion system2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Suzuki, H. Mori, K. Emoto, R. Ishikawa, S. Miki, M. Goto, H. Nomura, E. Tamura
    • 学会等名
      11th International Symposium on Metallic Multilayers (MML 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Controlling the distribution of magnetic skyrmions by manipulating an externally applied voltage2023

    • 著者名/発表者名
      Ryo Ishikawa, Minori Goto, Hikaru Nomura, Yoshishige Suzuki
    • 学会等名
      11th International Symposium on Metallic Multilayers (MML 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] POLARITY DEPENDENCE IN CHIRAL BROWNIAN MOTION OF AMAGNETIC SKYRMION2023

    • 著者名/発表者名
      Soma Miki, Akifumi Shinmura, Minori Goto, Eiiti Tamura, Yoichi Shiota, Mikihiko Oogane, Ryo Ishikawa, Hikaru Nomura, Yoshishige Suzuki
    • 学会等名
      The 7th International Conference on “Nanomagnetism and Spintronics” (Sol-SkyMag 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] CONTROLLING SKYRMIONS BY MANIPULATING ANEXTERNALLY APPLIED VOLTAGE2023

    • 著者名/発表者名
      Ryo Ishikawa, Minori Goto, Hikaru Nomura, Yoshishige Suzuki
    • 学会等名
      The 7th International Conference on “Nanomagnetism and Spintronics” (Sol-SkyMag 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Skyrmion diffusion and its voltage gating2023

    • 著者名/発表者名
      Soma Miki, Ken Hashimoto, Ryo Ishikawa, Yoichi Shiota, Eiiti Tamura, Minori Goto, Yoshishige Suzuki
    • 学会等名
      Intermag2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会

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公開日: 2023-04-13   更新日: 2024-12-25  

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