電子スピンのトルクを2重にして磁壁移動を実現~次世代スピントロニクスメモリの省エネルギー・高速動作に道~

2025-10-20 東北大学

東北大学金属材料研究所の関剛斎教授らの研究チームは、電子スピンによるトルク効果を2重に活用し、磁石中の磁壁を効率的に移動させることに成功した。研究では、白金(Pt)層で挟んだコバルト(Co)とイリジウム(Ir)の積層構造(Pt/Co/Ir/Co/Pt)を作製し、上下のCo層を反対向きに磁化させた人工反強磁性体を形成。上下のPt層からそれぞれ反対向きの電子スピンを注入した結果、スピン軌道トルクが打ち消されずに加算的に作用し、磁壁が移動する現象を実証した。さらに、Co層の厚さに傾斜をつけて非対称性を導入することで、内部磁場を新たに生成し、より小さな電流で高速な磁壁移動を実現した。この発見は、スピントロニクスメモリにおける低消費電力化と動作速度の向上に直結するものであり、次世代不揮発性メモリの設計指針を提供する成果である。研究結果は学術誌『Advanced Science』に2025年10月17日付で掲載された。

電子スピンのトルクを2重にして磁壁移動を実現~次世代スピントロニクスメモリの省エネルギー・高速動作に道~
図1. (a) Pt / Co / Ir / Co / Pt人工反強磁性体の積層構造の模式図および期待されるカー顕微鏡像のコントラスト。(b)細線に対し電流を左から右に流した場合と、右から左に流した場合のカー顕微鏡像。白い矢印が磁壁位置を示しており、パルス状の電流の印加回数(1回目から5回目)に依存して磁壁位置が移動している様子がわかる。

<関連情報>

合成反強磁性体における二重スピン軌道トルクによる磁壁の効率的な操作 Efficient Manipulation of Magnetic Domain Wall by Dual Spin-Orbit Torque in Synthetic Antiferromagnets

Hiroto Masuda, Yuta Yamane, Takaaki Dohi, Takumi Yamazaki, Rajkumar Modak, Ken-ichi Uchida, Jun’ichi Ieda, Mathias Kläui, Koki Takanashi, Takeshi Seki
Advanced Science  Published: 17 October 2025
DOI:https://doi.org/10.1002/advs.202514598

Abstract

Current-induced domain-wall motion (CIDWM) in a synthetic antiferromagnet is a key phenomenon for developing potential high-density-packed magnetic domain-wall memory with fast operation. Here, CIDWM is reported in the antiferromagnetically-coupled two Co layers through the Ir interlayer sandwiched by the two Pt layers: Pt/Co/Ir/Co/Pt. The top and bottom Pt layers play a role for generating the spin current coming from the spin Hall effect, which gives rise to the dual spin-orbit torque (SOT) acting on the perpendicular magnetizations of the Co layers. Although a simple argument would predict that SOTs from top and bottom Pt layers cancel each other out, the dual SOT nucleates a reversed magnetic domain and drives the CIDWM effectively at current density of the order of 1011 A m−2. This study also examines the effect of antisymmetric interlayer exchange coupling (AIEC) on CIDWM. A positive correlation between the magnitude of AIEC and the domain wall velocity is found, whereas the current density required for nucleating the reversed domain shows a negative correlation with the magnitude of AIEC. These facts suggest that the existence of AIEC improves the performance of CIDWM. The present results provide a new avenue to design SOT domain wall devices based on a synthetic antiferromagnet.

0403電子応用
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