超高速量子メモリ動作を引き出す素子設計 ―熱に頼らない高効率な磁気情報の書き込みに向けて―

2026-07-13 東京大学

東京大学を中心とする研究グループは、カイラル反強磁性体Mn₃Snを用いたスピントロニクス素子において、磁性層を薄膜化することで、ジュール熱に依存しない**スピン軌道トルク(SOT)**による高効率な磁気スイッチングを実現できることを明らかにした。Mn₃Sn/重金属(Ta)多層膜の膜厚を15~200 nmで比較した結果、厚膜では発熱と冷却過程を利用する「温度アシスト機構」が支配的である一方、30 nm以下では放熱性が向上し、スピン流が反強磁性秩序を直接制御する「内因性機構」へ移行することが判明した。さらに15 nm素子では、10ナノ秒の短い電流パルスでも安定した磁気反転が確認され、反強磁性体本来のピコ秒級高速ダイナミクスを活用できる可能性が示された。本成果は、反強磁性体MRAMの高速化・低消費電力化に向け、膜厚や放熱性を最適化することが重要であることを示し、次世代の不揮発性ロジック・メモリやスピントロニクスデバイス設計に重要な指針を与える。

超高速量子メモリ動作を引き出す素子設計 ―熱に頼らない高効率な磁気情報の書き込みに向けて―
Mn3Sn/重金属(HM)素子におけるスピン流を用いた二つの磁気スイッチング機構。内因性機構によるスイッチングでは電流印加時にスピン流が磁気秩序に直接作用するのに対し、温度アシスト機構によるスイッチングでは電流印加中に磁性秩序が失われる。

<関連情報>

反強磁性秩序のスピン軌道トルクスイッチングにおける固有領域と温度アシスト領域間のクロスオーバー Crossover between intrinsic and temperature-assisted regimes in spin-orbit torque switching of antiferromagnetic order

Takumi Matsuo,Tomoya Higo,Hanshen Tsai,Daisuke Nishio-Hamane,Takuya Matsuda,Ryota Uesugi,Kouta Kondou,Shinji Miwa,Yoshichika Otani & Satoru Nakatsuji
Nature Communications  Published:13 July 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-74311-6

Abstract

Intensive studies have been made on antiferromagnets as candidate materials for next-generation memory bits due to their ultrafast dynamics reaching picosecond time scales. Recent demonstrations of electrical bidirectional switching of antiferromagnetic states have attracted significant attention. However, in the presence of significant Joule heating that destabilizes the magnetic order, the timescales associated with the switching can be limited to nanoseconds or longer. Here, we present the observation of a crossover in the switching behavior of the chiral antiferromagnet Mn3Sn by tuning the magnetic layer thickness. While Joule heating interferes with switching in thicker devices, we find clear signatures of an intrinsic spin-orbit torque mechanism as the thickness is reduced, avoiding the heating effect. The suppression of heating enables switching without significant attenuation of the readout signal using pulses shorter than those required by temperature-assisted mechanisms. The crossover into the spin-orbit torque switching behavior clarifies the potential for achieving ultrafast switching as expected from the picosecond spin dynamics of antiferromagnets. Our results lay the groundwork for designing antiferromagnetic memory devices that can operate at ultrafast timescales.

0403電子応用
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