テラヘルツ領域への接近: 室温の量子磁石は毎秒何兆回も状態を切り替えます

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異なる材料の層を示す反強磁性接合の高解像度透過型電子顕微鏡画像 (左)。材料の磁気特性を示す図 (右)。 CREDIT ©2023 Nakatsuji et al.

異なる材料の層を示す反強磁性接合の高解像度透過型電子顕微鏡画像 (左)。材料の磁気特性を示す図 (右)。クレジット
©2023中辻ら。

要約：
量子磁性材料に基づく MRAM と呼ばれる不揮発性メモリデバイスのクラスは、現在の最先端のメモリデバイスを超える XNUMX 倍のパフォーマンスを提供できます。反強磁性体として知られる材料は、安定した記憶状態を保存することが以前に実証されていましたが、読み取るのは困難でした。この新しい研究は、記憶の状態を読み取るための効率的な方法を確立し、それを信じられないほど迅速に行う可能性も秘めています。

テラヘルツ領域に近づく: 室温の量子磁石は XNUMX 秒間に何兆回も状態を切り替えます

東京、日本| 20年2023月XNUMX日に投稿

4 秒間に 1 回程度まばたきをすることができます。このまばたきの頻度は 1 ヘルツ (XNUMX 秒あたりのサイクル数) と言えます。 XNUMX 秒間に XNUMX 億回、つまり XNUMX ギガヘルツでまばたきをしようとすると、人間には物理的に不可能です。しかし、これは、磁気メモリなどの最新のハイエンドデジタルデバイスが操作の実行時に状態を切り替える現在の桁数です。そして、多くの人々は、境界をさらに XNUMX 倍、XNUMX 秒あたり XNUMX 兆倍、つまりテラヘルツの領域に押し上げたいと考えています。

より高速なメモリデバイスを実現するための障壁は、使用される材料かもしれません。現在の高速 MRAM チップは、家庭用コンピューターに搭載されるほど一般的ではありませんが、典型的な磁性体 (強磁性体) を使用しています。これらは、トンネル磁気抵抗と呼ばれる技術を使用して読み取られます。これには、強磁性材料の磁性成分を平行に並べる必要があります。しかしながら、この配置は、メモリが読み書きできる速度を制限する強力な磁場を生成する。

「私たちは、この限界を超える実験的ブレークスルーを達成しました。これは、別の種類の材料である反強磁性体のおかげです」と、東京大学物理学科の中辻悟教授は述べています。「反強磁性体は、一般的な磁石とは多くの点で異なりますが、特に平行線以外の方法で並べることができます。これは、並列配置から生じる磁場を打ち消すことができることを意味します。トンネル磁気抵抗がメモリから読み取るには、強磁性体の磁化が必要であると考えられています。しかし驚くべきことに、磁化のない特別なクラスの反強磁性体でも可能であり、非常に高速で実行できることが期待されています。」

中辻と彼のチームは、テラヘルツ範囲のスイッチング速度が達成可能であり、これは室温でも可能であると考えていますが、以前の試みでははるかに低い温度が必要であり、そのような有望な結果は得られませんでした. ただし、そのアイデアを改善するには、チームはデバイスを改良する必要があり、それらを製造する方法を改善することが重要です.

「私たちの材料の原子構成要素 (マンガン、マグネシウム、スズ、酸素など) はかなりよく知られていますが、それらを組み合わせて使用可能なメモリコンポーネントを形成する方法は斬新であり、なじみがありません」と、研究者の Xianzhe Chen 氏は述べています。「分子線エピタキシーとマグネトロンスパッタリングと呼ばれる XNUMX つのプロセスを使用して、真空中で結晶を信じられないほど薄い層に成長させます。真空度が高いほど、培養できるサンプルの純度が高くなります。これは非常に困難な手順であり、これを改善すれば、私たちの生活が楽になり、より効果的なデバイスも製造できるようになります。」

これらの反強磁性メモリデバイスは、エンタングルメント (遠隔相互作用) として知られる量子現象を利用します。しかし、それにもかかわらず、この研究は、ますます有名になっている量子コンピューティングの分野とは直接関係ありません。しかし、研究者は、このような開発は、電子計算の現在のパラダイムと量子コンピューターの新たな分野との間の架け橋を築くのに役立つか、不可欠でさえあるかもしれないと示唆しています。

資金調達：
この研究の一部は、JST-未来計画 (番号 JPMJMI20A1)、ST-CREST プログラム (番号 JPMJCR18T3、JST-さきがけ、JPMJPR20L7)、JSPS 科研費 (番号 21H04437 および 22H00290) によって部分的に支援されました。

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