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2021 年度 実績報告書

スキルミオンのダイナミクスとそのニューロモルフィックデバイスへの応用

研究課題

研究課題/領域番号 21H01794
研究機関東京大学

研究代表者

横内 智行  東京大学, 大学院総合文化研究科, 助教 (20823389)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
キーワードスキルミオン / ニューロモルフィックデバイス
研究実績の概要

本研究は、トポロジカルなスピン構造であるスキルミオンがしめすダイナミクスを用いた高性能・低消費電力なニューロモルフィックデバイスの実現を目指している。
本年度は、まずスキルミオンダイナミクスを実空間で観察するための磁気カー顕微鏡とスキルミオンダイナミクスを電気的に測定するための測定系を新たに立上げた。そして、スキルミオンのニューロモルフィックデバイスへの応用を念頭に、交流磁場を印可した際のスキルミオンダイナミクスを、実空間観測および電気測定を組み合わせて行うことにより詳細に調べた。そして、特定の周波数・振幅においてニューロモルフィックデバイスに適したダイナミクスを示すことが明らかになった。その後、得られた知見をもとに、ニューラルネットワークモデルの一つである、リザバー計算モデルに基づいた、スキルミオンニューロモルフィックデバイスを作成し、性能評価を行った。そして、典型的なベンチマークの一つである、手書き数字認識で95%に近い正答率を示すことが明らかになった。この認識率は、従来のリザバーデバイスに匹敵または超える高い値である。このことは、スキルミオンがニューロモルフィックデバイスの応用において高い潜在能力を有していることを示している。
さらに、スキルミオン以外のトポロジカル物質においてもニューロモルフィックデバイスへの応用を検討するため、複数の物質において、基礎物性や非線形現象の開拓・その起源の解明にも取り組んだ。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本年度は、新たに立上げる磁気カー顕微鏡の主要部品の納期遅延というトラブルはあったものの、装置の立上げ後は順調に研究が遂行できた。特に、当初の計画の一つであった、スキルミオンダイナミクスの詳細な測定をすることができた。さらに、その結果をもとにして、当初の計画を前倒し、実際にスキルミオンニューロモルフィックデバイスを作成し、性能評価を行うことができた。今回作成したデバイスは、当初の予定より単純な構造であるにもかかわらず、得られた認識率は当初予想していた値よりも高いものである。
さらに、当初の研究計画にはなかった、スキルミオン以外のトポロジカル物質のニューロモルフィックデバイスへの応用を検討するための、基礎物性開拓もおこなうことができた。これらの理由により、当初の計画以上に進展しているとえる。

今後の研究の推進方策

今後は、昨年度に得られた結果に基づき、さらなる研究を発展させていく。昨年度はスキルミオンダイナミクスの駆動源として磁場を用いたが、応用・省エネルギー性の観点からは、電流により類似のダイナミクスを誘起できることが望ましい。そこで、電流に対するスキルミオンダイナミクスを詳細に調べ、電流誘起スキルミオンダイナミクスに基づいたニューロモルフィックデバイスの可能性を検討する。
さらに、デバイス構造についても、昨年度は非常に単純な構造のものであった。そこで、手書き数字認識以外のさらに複雑な実用的な課題を実行できるニューロモルフィックデバイスを実現すべく、さらなる性能向上に向け、デバイス構造の改良を目指す。
また、昨年度から開始した、スキルミオン以外のトポロジカル物質のニューロモルフィックデバイスへ応用の可能性についても、さらに研究を推進する。

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 6件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (1件)

  • [雑誌論文] Quantum oscillations from Fermi arc surface states in <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Cd</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>As</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math> submicron wires2022

    • 著者名/発表者名
      Miyazaki Yu、Yokouchi Tomoyuki、Shibata Kiyou、Chen Yao、Arisawa Hiroki、Mizoguchi Teruyasu、Saitoh Eiji、Shiomi Yuki
    • 雑誌名

      Physical Review Research

      巻: 4 ページ: L022002

    • DOI

      10.1103/PhysRevResearch.4.L022002

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enhancement of Current-Induced Out-of-Plane Spin Polarization by Heavy-Metal-Impurity Doping in <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" overflow="scroll"><mml:mi>Fe</mml:mi></mml:math> Thin Films2021

    • 著者名/発表者名
      Yokouchi T.、Shiomi Y.
    • 雑誌名

      Physical Review Applied

      巻: 16 ページ: 054001

    • DOI

      10.1103/PhysRevApplied.16.054001

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Reconfigurable single-material Peltier effect using magnetic-phase junctions2021

    • 著者名/発表者名
      Nakagawa Kurea、Yokouchi Tomoyuki、Shiomi Yuki
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 11 ページ: 24216

    • DOI

      10.1038/s41598-021-03754-2

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Anisotropic magneto-Seebeck effect in the antiferromagnetic semimetal <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mi>Fe</mml:mi><mml:msub><mml:mi>Ge</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math>2021

    • 著者名/発表者名
      Hashizume Minori、Yokouchi Tomoyuki、Nakagawa Kurea、Shiomi Yuki
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 104 ページ: 115109

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.104.115109

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enhanced electrical magnetochiral effect by spin-hedgehog lattice structural transition2021

    • 著者名/発表者名
      Kitaori A.、Kanazawa N.、Ishizuka H.、Yokouchi T.、Nagaosa N.、Tokura Y.
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 103 ページ: L220410

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.103.L220410

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Emergent electromagnetic induction beyond room temperature2021

    • 著者名/発表者名
      Kitaori Aki、Kanazawa Naoya、Yokouchi Tomoyuki、Kagawa Fumitaka、Nagaosa Naoto、Tokura Yoshinori
    • 雑誌名

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      巻: 118 ページ: e2105422118

    • DOI

      10.1073/pnas.2105422118

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Fe薄膜における重金属不純物ドープによる 電流誘起面直スピン偏極の増大2022

    • 著者名/発表者名
      横内智行 塩見雄毅
    • 学会等名
      日本物理学会 第77回年次大会

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公開日: 2022-12-28  

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