超高速・超低省電力で動作する不揮発量子スイッチング素子 ―40ピコ秒動作、次世代コンピュータ・データセンター省エネへ―

2026-05-15 東京大学

東京大学と理化学研究所などの研究グループは、反強磁性体Mn3Snを用いた超高速・超低消費電力の不揮発量子スイッチング素子を開発した。研究成果は『Science』に掲載された。従来のCPUやGPUでは高速化に伴い消費電力と発熱が増大し、ナノ秒以下の動作が難しかった。本研究では、スピン軌道トルクを利用して、最短40ピコ秒で磁気状態を書き換える不揮発スイッチングを実証した。さらに、通信波長帯レーザーと超高速光電変換器による60ピコ秒光電流パルスでも動作し、光信号から直接メモリ書き込みへ接続できる「スピントロニクス光電融合技術」の基盤を示した。素子は1011回以上の高耐久性を持ち、1ビット当たり約1フェムトジュールという極低消費エネルギーを達成した。次世代データセンターやAI計算基盤の省エネ化、超高速情報処理技術への応用が期待される。

超高速・超低省電力で動作する不揮発量子スイッチング素子 ―40ピコ秒動作、次世代コンピュータ・データセンター省エネへ―
光電変換素子と反強磁性体スイッチング素子を組み合わせた不揮発量子スイッチングの模式図

<関連情報>

反強磁性体に基づくピコ秒超低省電力スイッチングデバイス Picosecond ultralow-power switching device based on an antiferromagnet

Hanshen Tsai, Takuya Matsuda, Kouta Kondou, Kotaro Shimizu, […] , and Satoru Nakatsuji
Science  Published:14 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1126/science.adt3136

Editor’s summary

Nonvolatile switching devices are an important component of data-processing architectures. However, increasing the processing speeds beyond the nanosecond scale while keeping the switching power low has been challenging. One candidate system predicted to combine these favorable properties is antiferromagnetic spintronic devices. Tsai et al. demonstrate a device exhibiting ultra-low-power bidirectional electric switching at picosecond timescales, which consists of layers of the chiral antiferromagnet Mn3Sn and the heavy metal tantalum. The switching power consumption was considerably lower compared with that in ferromagnet or heavy metal bilayer systems. —Jelena Stajic

Abstract

Developing an ultrafast and energy-efficient nonvolatile switching device may pose a strong impact on emerging computing architectures. However, processing speed has plateaued in the nanosecond regime, as further acceleration demands excessively large write power. We demonstrate ultralow power in picosecond switching using heterostructures of the antiferromagnet Mn3Sn and heavy metal tantalum, which exhibit spin-orbit torque switching by electrical pulses as short as 40 picoseconds. Power consumption in the picosecond regime is several orders of magnitude lower than in ferromagnetic counterparts owing to efficient angular momentum transfer. Compared with previously reported picosecond switching devices, our ultralow-power switching device realizes much less heating, higher endurance, and switching using photocurrent. These results pave the way to ultrafast nonvolatile memory and efficient optical-to-electrical conversion technology.

0403電子応用
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