電流印加によってエネルギー的に不安定な方位にスピンを安定化させることに成功 ―大きなスピンのゆらぎを使った新原理コンピューティングに道―

2026-03-05 東北大学

東北大学金属材料研究所などの研究チームは、電流によって磁石のスピンを本来エネルギー的に不安定な方向に安定化させる「磁化の動的安定化」を実証した。研究では非磁性層と強磁性層を組み合わせた薄膜を用いて、スピンが任意方向を向きやすい等方性磁石を作製し、電流によるスピントルクでスピンの向きを効率的に制御できる素子を開発した。実験では外部磁場によって不安定となる方向でもスピンを安定に保持できることが確認された。さらに電流と磁場条件を調整することでスピンのゆらぎを最大化でき、この性質を連続値の確率計算に利用する制限ボルツマンマシンなどの新しい計算原理に応用できる可能性が示された。本成果はスピントロニクス技術を基盤とした低消費電力コンピューティングや次世代情報処理の実現に寄与することが期待される。

電流印加によってエネルギー的に不安定な方位にスピンを安定化させることに成功 ―大きなスピンのゆらぎを使った新原理コンピューティングに道―
図1.  (a) 一軸の磁気異方性を有する磁石のエネルギーの角度依存性の模式図。南極方向からの角度θ が0ºと180ºでエネルギーが極小となり、安定な状態となる。(b) 等方性磁石に外部磁場を印加したときのエネルギーの角度依存性の模式図。

<関連情報>

ほぼ等方性磁性体におけるスピン移動による動的安定性 Dynamical stability by spin transfer in nearly isotropic magnets

Hidekazu Kurebayashi,Joseph Barker,Takumi Yamazaki,Varun K. Kushwaha,Kilian D. Stenning,Harry Youel,Xueyao Hou,Troy Dion,Daniel Prestwood,Gerrit E. W. Bauer,Kei Yamamoto & Takeshi Seki
Nature Materials  Published:04 March 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41563-026-02510-z

Abstract

Spin transfer torques (STTs) control magnetization by electric currents, enabling a range of nano-scale spintronic applications. They can destabilize the equilibrium magnetization state by counteracting magnetic relaxation. Here we maximize the STT effect through a dedicated growth-annealing protocol for CoFeB thin films, such that magnetic anisotropies originating from the interface and shape almost cancel each other. The nearly isotropic magnets enable low-current dynamical stabilization of the magnetization in the direction opposite to an applied magnetic field, thereby realizing a spintronic analogue of the Kapitza pendulum. In an intermediate current regime, the STT drives large magnetization vector fluctuations that cover the entire Bloch sphere. The continuous variable associated with the stochastic magnetization direction may serve as a resource for probabilistic computing and neuromorphic hardware. Our results establish isotropic magnets as a platform to study as-yet-uncharted, far-from-equilibrium spin dynamics including anti-magnonics, with promising implications for unconventional computing paradigms.

0403電子応用
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