70年間測定できなかった磁石の「反転試行時間」を初めて決定 ― 次世代磁気デバイス設計に新指針 ―

2026-04-22 東北大学

東北大学の研究チームは、約70年間未解明だった磁石の「反転試行時間」を初めて実験的に決定した。磁化反転はエネルギー障壁を越える現象としてアレニウス則で記述されるが、その試行頻度は従来1ナノ秒程度と仮定されていた。本研究では温度を変えずに熱ゆらぎを精密測定する新手法を開発し、ナノ磁石の反転試行時間が材料や形状に依存し、従来想定より10倍以上長いことを解明した。さらにスピンの集団的挙動がスイッチングに影響することも示された。これにより磁気メモリーやハードディスク、確率計算素子の設計精度向上が期待される。

70年間測定できなかった磁石の「反転試行時間」を初めて決定 ― 次世代磁気デバイス設計に新指針 ―
図1. 磁石のS→Nの向き(磁化の向き)が熱的に反転する様子。

<関連情報>

ナノ磁石における確率的スイッチング時定数と不安定性 Stochastic switching time constant and instability in nanomagnets

Shun Kanai,Keisuke Hayakawa,Mehrdad Elyasi,Keito Kobayashi,Junta Igarashi,Butsurin Jinnai,William A. Borders,Gerrit E. W. Bauer,Hideo Ohno & Shunsuke Fukami
Communications Materials  Published: 21 April 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s43246-026-01149-2

Abstract

The Arrhenius law governs thermally-activated phenomena with a pre-exponential factor, the attempt time τ0, which defines the time constant of stochastic process. In nanomagnets, accessing τ0 is a formidable task due to the temperature-dependent magnetic properties that preclude the use of a standard Arrhenius plot and lead to the questionable assumption that τ0 = 1 ns for several decades. This is an untenable situation considering τ0’s critical role in the performance of stochastic magnetic tunnel junctions (s-MTJs), particularly in the context of unconventional computing. Here we present a systematic measurement of τ0 and reveal the governing physics. By analyzing the random telegraph noise as a function of applied magnetic fields along the hard axis, we derive a magnetic version of the Arrhenius plot, arriving at τ0 = 3.7–12 ns depending on the perpendicular magnetic anisotropy. Furthermore, we reveal that the Suhl instability significantly increases τ0 by the emission of spin waves. The results renew the understanding of stochastic dynamics in nanomagnets, offering a route to design high-performance s-MTJs.

0403電子応用
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