次世代磁気ナノ構造「透明マント」でデータストレージを革新

• 研究者たちが「透明マント」を持つ磁気ナノ構造を設計
• 見えないマントの強度を慎重に調整することで、微小磁気ビット構造の高速化を実現

高性能ソリッドステートデータストレージとロジックアプリケーションのため、研究者たちはスピンベースデバイスに注目しています。有望なアプローチの一つは、スカーミオンやドメインウォールなどの小さな磁気構造でビットをエンコードし、レーストラックベースデバイスで電流によってシフトさせることです。

物理学者にとって、磁気は主に原子内の電子の回転運動に関連しています。電子は原子核の周りを公転し、自分の軸を中心に自転します。この運動が原子の磁気モーメントを生み出します。

この磁気モーメントに対応する漂遊磁場は、デバイスから磁気的に保存されたデータを抽出/読み取るために使用されます。既存のハードドライブでは、1つの磁気ビットのサイズは約15×45ナノメートルに達し、約1兆個が切手サイズに収まります。

チップ上の固定位置にビットを磁気的に保存し、後で取り出すには、電流パルスを通じて磁気ビットをチップ内で前後させる必要があります。問題は、磁気漂遊場がビットをより小さくするのを妨げ、データのより高密度なパッキングを阻害することです。また、漂遊場に関連する磁気モーメントは、構造体を移動させる能力を持たなければなりません。

原子の「透明マント」

この研究では、研究者たちが磁気ナノ構造に「透明マント」を着せ、これらのビットが実際にどれほど高速かつ小さくなれるかを分析しました。これを実現するため、電子が逆方向に回転し、したがって逆の磁気モーメントを持つ異なる元素の原子を融合させました。

これにより磁気漂遊場が相殺（または場合によっては減少）されましたが、ナノ構造内の各原子は依然として磁気モーメントを保持しています：これらの原子は集合的に「マント」を纏って見えます。

参照: Nature Nanotechnology | doi:10.1038/s41565-018-0255-3 | マックス・ボルン研究所

マントを纏っていても、研究者たちはX線ホログラフィーで微小構造を撮影しました。1つの原子種の磁気モーメントのみを選択的に可視化することで、透明マントにもかかわらず構造体の画像を記録しました。

隣接原子モーメント間の強磁性（FM）と反強磁性（AFM）秩序 | 研究者提供

データストレージへの応用

透明マントの強度を慎重に設定することで、2つの目標を同時に達成できます。

円形磁気構造のサイズは非常に小さく、最小構造の半径はわずか5ナノメートルでした。将来、これらの構造がデータストレージデバイスに採用されれば、容量は大幅に増加するでしょう。

さらなる調査で、マントを纏ったビットが短い電流パルスで非常に高速に移動できることが明らかになりました。これはメモリデバイスでの実用化における重要なパラメータの一つです。研究者たちは1km/s以上の速度に達したと述べています。

電子の原子核周りの公転と、電子の自軸周りの自転の両方が磁気モーメントに異なる形で寄与します：電子の自転の効果は、公転の効果の2倍です。

電子の回転方向が異なるさまざまな種類の原子を組み合わせることで、全体の回転を相殺できます。システムの角運動量は一定のまま、システムは少量の磁気モーメントを保持します。

角運動量が電流パルスによる移動磁気構造を減速させるため、この技術で高速運動を実現できます。したがって、透明マントの強度を正しく設定すれば、高速かつ微小な磁気ビット構造の両方を得られます。これは新規磁気データストレージ概念の興味深い側面です。