「スピン半導体」の動作速度の限界を超える新発見~反強磁性体の従来磁石材料に対する工学的優位性を世界で初めて実証~

2025-08-22 東北大学

東北大学・物質・材料研究機構・日本原子力研究開発機構の研究チームは、カイラル反強磁性体Mn₃Snを用いて、スピン半導体の動作速度における「反強磁性体の強磁性体に対する工学的優位性」を世界で初めて実証しました。従来の強磁性体ベースのスピン半導体では限界とされていた速度を超え、1ナノ秒の短時間で100%の高再現性による記憶動作を実現。さらに、ナノサイズ素子中で「電流印加によるスピン構造のコヒーレント回転」を0.1ナノ秒という極めて高速に制御できることを示しました。この制御は外部磁場を必要とせず、省エネで安定した記録が可能となる点も特長です。本成果は、反強磁性体の運動方程式に由来する普遍的な高速性を明らかにし、次世代スピン半導体による超高速・省エネ情報処理の実現に道を拓くものであり、科学誌 Science に掲載されました。

「スピン半導体」の動作速度の限界を超える新発見~反強磁性体の従来磁石材料に対する工学的優位性を世界で初めて実証~

図1. (a) カイラル反強磁性体ナノドット素子の高速制御実験の模式図。(b) 今回作製したナノドット素子の観察画像。

<関連情報>

電気的コヒーレント駆動によるキラル反強磁性体 Electrical coherent driving of chiral antiferromagnet

Yutaro Takeuchi, Yuma Sato, Yuta Yamane, Ju-Young Yoon, […] , and Shunsuke Fukami
Science  Published:21 Aug 2025
DOI:https://doi.org/10.1126/science.ado1611

Editor’s summary

Antiferromagnetic spintronics hold the promise of high speed and high efficiency unachievable with ferromagnets. However, reaching these goals in experiments has proven tricky. Takeuchi et al. realized all-electrical driving of an antiferromagnetic Mn3Sn (manganese-tin) nanodot. The researchers used electric-current pulses as short as 0.1 nanoseconds at current densities insensitive to pulse width. —Jelena Stajic

Abstract

Electric current driving of antiferromagnetic states at radio or higher frequencies remains challenging to achieve. In this study, we report all-electrical, gigahertz-range coherent driving of chiral antiferromagnet manganese-tin (Mn3Sn) nanodot samples. High coherence in multiple trials and threshold current insensitive to pulse width, in contrast to results observed with ferromagnets, were achieved in subnanosecond range, allowing 1000/1000 switching by 0.1-nanosecond pulses at zero field. These features are attributed to the inertial nature of antiferromagnetic excitations. Our study highlights the potential of antiferromagnetic spintronics to combine high speed and high efficiency in magnetic device operations.

0403電子応用
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