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摘要：研究小组在以往的基本积层结构Pt/Co/Ni中仅插入约0.3 nm的稀土元素Gd（钆），制作出Pt/Gd/Co/Ni积层体，验证了一种兼顾磁斯格明子大容量、高速、低功耗驱动这三大优点的方法，有望应用于未来的信息终端。

关键词：磁斯格明子、Gd纳米薄膜、准粒子、信息终端、自旋

要点

人们期待新型信息终端的问世，以应对信息爆炸。
通过插入原子级别的薄膜，验证了一种兼顾磁斯格明子大容量、高速、低功耗驱动这三大优点的方法。
可以探索更有效的材料，蕴藏着无限的可能性，有望应用于未来的信息终端。

概要

人们正受益于以人工智能为首的信息社会，但随着信息量的暴增，处理信息所需要的电力正在逼近全球发电量。为解决这个问题，需要以前所未有的水平抑制耗电量的技术。其中一个备选方案就是利用磁斯格明子。磁斯格明子是磁性体中自旋被扭转的准粒子结构，不仅拓扑学稳定，而且能以纳米级的微小尺寸、GHz的高速驱动以及低电流传输等信息终端所需的三大要素，因而备受期待。但是，要同时实现这三个优点并非易事，这种三难困境成为课题。

对此，本研究在构成磁斯格明子的数纳米磁性薄膜和重金属薄膜之间的界面上，通过新插入单原子级别的薄膜，证实了解决三难困境的可能性。

研究小组在以往的基本积层结构Pt/Co/Ni中仅插入约0.3 nm的稀土元素Gd（钆），制作出Pt/Gd/Co/Ni积层体，测量了以电流高速传输时所需的自旋轨道转矩，然后通过洛伦兹电子显微镜直接观察磁斯格明子，显示出纳米级准粒子的稳定性，以及通过高自旋轨道转矩实现高速且低电流驱动的可能性。

此次的实证研究，打破了在磁斯格明子设备中被认为是三难困境的框架，大幅度扩展了可应用于新型信息终端的可能性。

本研究扩大了磁斯格明子的可能性

“信息爆炸引发的能源问题是全球共同面临的课题。此次的研究成果证实了利用磁斯格明子解决该问题的可能性。然而，目前才刚刚迈入正式研发的门槛，为了能让作为准粒子的磁斯格明子为信息社会做出贡献，今后将继续推进材料开发工作。”

研究背景与过程

人们享受着信息社会带来的便利，但近年来，随着AI的发展，信息量呈爆发式增长，处理这些信息所需的电力正在逼近全球发电量。要解决这一问题，就需要以前所未有的水平抑制电子信息设备耗电量的技术。其中一个备选方案是利用磁斯格明子。磁斯格明子是磁性材料中自旋被扭转形成的准粒子结构，它不仅具有拓扑学稳定性，而且由于能以GHz兹频率驱动，即使电流较小也能实现高速处理，而且因其纳米级的微小尺寸，适合增大数据容量，因此有望成为满足信息终端所需三大要素的信息载体。然而，要同时实现这三个优点并非易事。具体而言，缩小尺寸会使传输速度变慢，为维持速度而增大电流的话，又会使低电耗的优势丧失，这样的三难困境有待解决。

研究内容和成果

研究团队在以往的基本基层结构Pt/Co/Ni中仅插入约0.3nm的稀土元素Gd制作出Pt/Gd/Co/Ni积层体，测量了电流高速传输时所需的自旋轨道转矩，还通过洛伦兹电子显微镜直接观察了磁斯格明子，显示出纳米尺度准粒子的稳定性，以及通过高自旋轨道转矩实现高速且低电流驱动的可能性。

磁斯格明子是在堆叠数纳米厚的磁性层和重金属层时，因界面出现的DM相互作用（※2）导致磁性层内的自旋发生扭转而产生的。并且，向重金属通入电流时，磁斯格明子可通过自旋轨道转矩实现传输。此时，自旋轨道转矩效率越高，磁斯格明子在相同电流下的移动速度就越快。此次，通过插入Gd改变了自旋轨道转矩效率，同时证实了将Gd的设计膜厚减少至0.3nm，能够确保磁斯格明子产生所需的DM相互作用。

在磁性层和重金属层的界面插入薄层的异种元素，显示出同时实现磁斯格明子大容量、高速、低电耗的可能性。

图1. 没有Gd的积层体（a）和有Gd的叠层体（b）的洛伦兹电子显微镜图像。绿/蓝：通过自旋轨道转矩可转移/不可转移的磁斯格明子。橙：与磁性无关的缺陷、废物。

图2. 没有Gd的积层体（c）和有Gd的积层体（d）的自旋轨道转矩效率。

今后计划

本研究中，选择了稀土元素Gd作为插入磁性层和重金属层界面的材料，世界上存在许多候选元素。计划以开发出能够以更低电耗高速处理大容量数据的信息终端为目标，继续推进研究。

术语解释

(※1) 自旋轨道转矩

自旋轨道转矩是指电流通过产生自旋流，利用该自旋流来操控磁性体磁化方向的现象。将自旋轨道转矩产生的有效磁场以单位电流密度的效率来表示，就是自旋轨道转矩效率。

(※2) DM相互作用（Dzyaloshinskii-Moriya Interaction）

这是作用于相邻磁自旋之间的一种磁交换相互作用，具有反对称成分。不同于通常倾向使自旋平行或反平行排列的磁有序，这种相互作用会促使自旋以特定角度倾斜，因此是产生磁斯格明子必不可少的因素。

https://www.kyushu-u.ac.jp/f/63938/25_1121_01.pdf

D O I ： 10.1063/5.0294523

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