「力」で単一原子磁石の情報を読み書きすることに成功――電流を使わない超低発熱・究極の超高密度メモリへの道をひらく――

2026-07-09 東京大学,科学技術振興機構

東京大学と科学技術振興機構(JST)の研究グループは、磁気交換力顕微鏡(MExFM)を用いて、単一ホルミウム(Ho)原子磁石のスピン状態を電流を流さず「力」だけで読み書きすることに世界で初めて成功した。従来の磁気記録は電流を利用するため、ジュール熱による発熱やエネルギー損失が高密度化の課題となっていた。本研究では、磁性探針とHo原子の間に働く量子力学的な磁気交換力を利用してスピン状態を非侵襲的に読み出し、さらに探針を極限まで接近させて原子にひずみを与え、結晶場対称性を変化させることでスピン反転(情報の書き込み)を実現した。読み出しではスピン状態を218秒以上安定に保持できることも確認された。この成果は、電流を必要としない超低消費電力・超高密度な単一原子メモリの実現に向けた重要な一歩であるとともに、「力」によるスピン制御という新たなナノメカノスピントロニクスの学術分野を切り開く成果であり、将来的には量子コンピュータの高性能化への応用も期待される。

「力」で単一原子磁石の情報を読み書きすることに成功――電流を使わない超低発熱・究極の超高密度メモリへの道をひらく――
探針との「力」によって単一原子磁石のスピン状態を操作・検出するイメージ図

<関連情報>

個々の単原子磁石の力に基づく読み書き Force-based reading and writing of individual single-atom magnets

Yuuki Adachi,Kazuki Ueda,Yuuki Yasui & Yoshiaki Sugimoto
Nature Communications  Published:09 July 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-74922-z

Abstract

The integration of single-atom bits enables the realization of the highest data-density memory. Reading and writing information to these bits through mechanical interactions opens the possibility of operating the magnetic devices with low heat generation and high density recording. To achieve this visionary goal, we demonstrate the use of magnetic exchange force microscopy to read and write the spin orientation of individual holmium adatoms on MgO thin films. The spin orientation of the holmium adatom is stabilized by the strong uniaxial anisotropy of the adsorption site and can be read out by measuring the exchange forces between the magnetic tip and the atom. The spin orientation can be written by approaching the tip closer to the holmium adatom. We explain this writing mechanism by the symmetry reduction of the adsorption site of the Ho adatom. These findings demonstrate the potential for information storage with minimal energy loss and pave the way for a new field of atomic-scale mechano-spintronics.

0403電子応用
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