データハイウエイ向けメタマテリアル

August, 1, 2024, Dresden--Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)、TU Chemnitz, TU Dresden および Forschungszentrum Jülichの研究グループは、個々のビットだけでなく、ビットシーケンス全体を円筒形ドメイン(わずか約100nmルの小さな円筒形領域)に格納できることを初めて実証した。
研究チームが学術誌「Advanced Electronic Materials」(DOI: 10.1002/aelm.202400251)で報告しているように、これらの発見は、ニューラルネットワークの磁気的変種を含む、新しいタイプのデータストレージやセンサへの道を開く可能性がある。

「円筒形領域は、われわれ物理学者も気泡領域と呼んでいるが、薄い磁性層の中の小さな円筒形の領域である。そのスピンは、物質に磁気モーメントを生成する電子の固有の角運動量であり、特定の方向を指している。これにより、他の環境とは異なる磁化が発生する。反対の磁化の海に浮かぶ小さな円筒形の磁気バブルを想像してみるとよい」と、HZDRのイオンビーム物理・材料研究所のOlav Hellwig教授は、その研究テーマについて話している。同氏とそのチームは、このような磁気構造がスピントロニクス応用に大きな可能性を秘めていると確信している。

磁壁は、この円筒形の領域のエッジ、磁化の方向が変化するフリンジ領域に形成される。Hellwigのチームが目指す磁気記憶技術では、時計回りまたは反時計回りの方向を直接ビットの符号化に利用できるため、磁壁のスピン構造を正確に制御することが重要になる。「現在のハードディスクは、トラック幅が30〜40nm、ビット長が15〜20nmで、切手ほどの大きさの表面に約1TBを収めることができる。われわれは、ストレージを 3 次元に拡張することで、このデータ密度の制限を克服することに取り組んでいる」と Hellwig は説明している。

ソリューション:3Dメタマテリアル
磁性多層構造は、磁壁の内部スピン構造を制御するのに魅力的な方法である。と言うのは、異なる材料や層厚を組み合わせることで関連する磁気エネルギーを調整できるからである。Hellwigのチームは、コバルトとプラチナの層を交互に重ね、ルテニウムの層で区切ったブロックを使用し、シリコンウエファ上に堆積させた。得られたメタマテリアルは、合成反強磁性体である。その特徴は、隣接する層ブロックが磁化方向を逆にする垂直磁化構造であり、その結果、全体として正味の中性磁化になる。

「ここで登場するのが『レーストラック』メモリである。このシステムは競馬場のようなもので、それに沿ってビットが真珠の首飾りのように配置されている。われわれのシステムの独創的な点は、層の厚さ、つまりそれらの磁気特性を具体的に制御できることである。これにより、合成反強磁性体の磁気的挙動を適応させ、個々のビットだけでなく、ビットシーケンス全体を、磁壁の深さ依存の磁化方向という形で保存することができる」(Hellwig)。これにより、このようなマルチビットシリンダドメインを、制御された高速かつエネルギー効率の高い方法で、これらの磁気データハイウェイに沿って輸送する可能性が開かれる。

また、磁気エレクトロニクスにおける他の用途にも応用できる可能性があります。例えば、磁気抵抗センサやスピントロニクス部品に使用できる。さらに、このような複雑な磁性ナノ物体は、人間の脳と同じようにデータを処理できるニューラルネットワークへの磁気実装に大きな可能性を秘めている。