旧サイエンスニュース「スピントロニクス」って何?(その1)(2019年11月01日)電子はマイナスの電荷を持つ粒子で、流れると電流が生じることはよく知られています。この電子は、電荷に加えてスピンという性質も持っており、永久磁石や磁気記録などの磁気のもとになります。トランジスターやダイオードなど半導体において電子が持つ電荷の流れを制御してさまざまな機能を引き出す技術をエレクトロニクスと呼びますが、磁気をもたらすスピンの性質も利用するエレクトロニクスの分野を「スピントロニクス」と呼びます。(GMR)の発見によって開かれました。GMRは、磁性金属/非磁性金属ハイブリッド構造において磁場を加えると電気抵抗が大きく変化する効果です。数年のうちに、この効果を用いたハードディスク用の磁気読み出しヘッド(GMRヘッド)が開発されました。それまではコイルを使ってディスクの磁気情報を読み出していたので、微小な磁気情報を読み出すことができなかったのですが、これによって数10ナノメートルサイズの記録情報が読み出せるようになり、磁気記録の記録密度が飛躍的に増大しました。図1に示すように、年率25%の増加率であったHDの記録密度は、GMRヘッドの登場によって年率100%の増加率となったのです。GMRを発見したフランスのフェール博士とドイツのグリュンベルグ博士は、2007年のノーベル物理学賞に輝きました。1995年、日本の宮崎博士と米国のムーデラ博士は、トンネル磁気抵抗効果(TMR)を発見しました。TMRは、2つの磁性体で絶縁体を挟んだ磁気トンネル接合(MTJ)において磁場を加えたときに大きな電気抵抗の変化が生じる効果です。memory)が生み出されました。MgOをトンネル障壁に採用するとTMRが大幅に増大することが日本の湯浅博士と米国のパーキン博士によって見出されました。MgO―TMR素子を用いた磁気読み出しヘッドは、市販されているハードディスクのほとんどに使われています。夢の不揮発性メモリMRAMをめざしてMRAMとは、記憶素子に磁性体を用いた不揮発性メモリの一種です。TMR素子を用いた磁気トンネル接合(MTJ)と半導体CMOSが組み合わされた構造となっており、直交する2つの書き込み線に電流を流し、生じた磁界によって磁気状態を書き換えます。SRAM(高速アクセス性)、DRAM(高集積性)、フラッシュメモリ(不揮発性)のすべての機能をカバーする「ユニバーサルメモリ」としての応用が期待されています。1996年、新たなスピントロニクスの概念としてスピン注入磁化反転が理論的に提案されました。強磁性電極FM1中でスピン偏極した電子が非磁性体を通して対極FM2に注入された電子スピンがFM2の磁化の方向に傾けられるとき,そのトルクをFM2に渡し、FM2の磁化を反転します。これをスピン移行トルク(STT)と呼びます。開発当初は大電流密度を必要としましたが、研究開発が進み垂直磁化のTMR素子を用いて実用可能な電流密度にまで低減することが可能になりました。STTを使うと、MTJ素子に電流を流すだけで磁化反転でき、微細化で電流密度も小さくなるので、MRAMを高集積化することが可能になりました。これをSTT-MRAMと呼びます。電流が作る磁界を書き込みに使う場合に比べて非常に低消費電力となるものの、電流を用いてスピン流を発生するためにジュール熱によってエネルギーを散逸します。これを解決するため、最近、電圧を加えて磁気異方性の変化を誘起するトルクを書き込みに用いる新しい不揮発性メモリ「電圧駆動MRAM」が提案されました。桁程度小さなエネルギーで書き込みができるとされています。作れることも提案されています。1966年NHK入局。