テラヘルツ光が磁気メモリに超高速スピンをかける

March, 28, 2025, Dortmund--TU Dortmund Universityの研究者は、テラヘルツ放射の強烈な閃光が、磁気メモリに保存された情報をわずか数ピコ秒で読み取ることができることを示した(Nat. Commun., doi: 10.1038/s41467-025-57432-2)。このデモンストレーションは、テラヘルツ技術を利用して超高速でデータを読み書きする磁気ストレージデバイスの開発に役立つ可能性がある。

データレートをブースト
今日のハードディスクドライブは大量の情報を保存できるが、データ転送の速度は通常、毎秒数百メガバイトに制限されている。データレートを向上させるための有望な戦略の1つは、電子スピンの振る舞いを通じて磁気状態を決定することであり、これまでの研究で、フェムト秒レーザパルスを使用して材料内に短いスピン電流パルスを誘導できることが示されている。これらのスピントロニクス技術をテラヘルツ領域に拡張すると、超高速のデータ交換が可能になると同時に、効率的でコンパクトな電子部品も活用できる。

このアプローチの実現可能性を調査するために、研究者たちは、Helmholtz-Zentrum Dresden-RossendorfのELBE(高輝度で低エミッタンスのビーム用の電子リニアック)源によって生成された非常に短くて強いテラヘルツ(THz)放射のパルスを使用した。研究チームは、これらのTHz光の閃光を、強磁性体の上に積み重ねられたプラチナやタングステンなどの重金属の層からなる極薄のサンプルに焦点を合わせた。

2次高調波信号
THzビームとこれらの材料内の電子スピンとの間の強い相互作用は、強磁性体の磁気状態を明らかにすることができる第2高調波信号を生成する。具体的には、入射光場により金属膜内に急速に振動する電流が発生し、その結果、界面と平行に振動するスピン電流が発生する。スピン流の方向に応じて、特定のスピン配向を持つ電子が強磁性体との界面に蓄積する。
これらのスピンの存在は、それらが磁場と整列しているとき、界面での電気抵抗率を増加させ、それらが反対方向を向いているときにはそれを減少させる。この効果は、一方向スピンホール磁気抵抗(USMR)と呼ばれ、抵抗の超高速変動によって変調される第2高調波信号を生成する。「この振動を正確に検出できるため、ピコ秒単位で下層の磁化を決定できる」と、ドルトムント工科大学のSergey Kovalevはコメントしている。

他のスピン効果が第2高調波応答に寄与する可能性があるが、研チームは、これらをフィルタリングしてUSMR成分を分離できることを示した。様々なサンプルでテストしたところ、USMR効果は、プラチナの金属層をニッケルと鉄の磁性合金と組み合わせたときに最も顕著になり、磁性合金の下に3層目のタンタルを追加することで応答をさらに強化できることが明らかになった。

この研究成果は、テラヘルツ技術の磁気情報の読み取り・書き込み技術の可能性を示しているが、実用的なストレージデバイスの開発には、さらなる技術革新が必要になる。それまでの間、チームが開発した実験手法は、将来のデバイスで活用できる可能性のある複雑なスピン相互作用に関する貴重な洞察を提供する可能性がある。