ナノ磁石の磁気エネルギー地形の测量に成功 ～高性能疑似量子コンピューター开発に向けた数学的基盘を确立～

ナノ磁石の磁気エネルギー地形の测量に成功　～高性能疑似量子コンピューター开発に向けた数学的基盘を确立～

2022年8月18日 11:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇电気通信研究所　助教　金井　骏

【発表のポイント】

确率的に振る舞う新规スピントロニクス素子を用いて、ナノメートルサイズの磁石（ナノ磁石）に関する未解决问题を実験で初めて検証
ナノ磁石の外场（磁场や电流）下の动作を记述する数式を解明
Society5.0^注1)で活跃が期待される、省电力で复雑な计算问题を処理するスピントロニクス确率论的コンピューターや超低消费电力半导体の开発に向けた重要な基盘を确立

【概要】

东北大学电気通信研究所の舩津拓也博士前期课程学生（当时）、金井骏助教、深见俊辅教授、大野英男教授(现、総长)及び日本原子力研究开発机构の家田淳一研究主干は、ナノ磁石の「磁気エネルギー地形」を世界で初めて実験的に测定することに成功しました。

电子の持つ电気的性质と磁気的性质(スピン)の同时利用に立脚する「スピントロニクス」^注2)技术は、既に商品化されている超低消费电力の不挥発性メモリー^注3)に加え、量子コンピューターや确率论的コンピューター^注4)など、不确定性や确率性を积极的に利用した従来にないコンピューターを実现するための原理としても有望视されています。研究グループは、スピントロニクス确率论的コンピューターで用いられる超常磁性磁気トンネル接合^注3)を用いて、磁场や电流による磁気エネルギーの変化を支配する「反転指数」と呼ぶ変数を実験で决定し、磁気エネルギーの磁场や电流依存性を正确に予测できる「磁気エネルギー地形」の実测に成功しました。超常磁性磁気トンネル接合素子を用いた确率论的コンピューターの研究开発を加速することは勿论のこと、ナノ磁石一般に成立する指数を决定したことで、不挥発性磁気トンネル接合を用いた磁気抵抗ランダムアクセスメモリー(惭搁础惭)^注3)の研究开発における特性评価への适用なども期待されます。加えて今回の観测结果は非线形解析理论の一种である「分岐理论」で统一的に理解できることも明らかになりました。これは今后の基础数学?物理学理论研究を検証するプラットフォームとしてのスピントロニクス素子の利用可能性も示唆するものです。

本研究成果は2022年7月14日(英国時間)に英国の科学誌「Nature Communications」でオンライン公開されました。

図1 (a)机の上に載っている花瓶を指で押す様子。(b)花瓶の角度に対する位置エネルギーの例。(c)風が吹いた時の花瓶の角度に対する実効的なエネルギーの例。(d)エネルギー地形の一例

【用语解説】

注1) Society5.0
日本の「第5期科学技術基本計画」で政府が掲げた、サイバー空間(仮想空間)とフィジカル空間(現実空間)を高度に融合させたシステムにより、経済発展と社会的課題の解決を両立する、人間中心の社会(Society)。狩猟社会(Society 1.0)、農耕社会(Society 2.0)、工業社会(Society 3.0)、情報社会(Society 4.0)に続く。参考：https://www8.cao.go.jp/cstp/society5_0/

注2) スピントロニクス
电子の持つ电気的性质(电荷)と磁気的性质(スピン)を同时に利用することで発现する物理现象を明らかにし、工学的に利用することを目指す学术分野。スピンの持つ量子的性质はナノメートル(10のマイナス9乗メートル)のスケールで顕着に见られ、微细加工技术の进展とともに様々な関连现象が発见されてきた。例えば従来は不可能であった磁気的性质や磁化方向の电気的な検出や制御(スピントルク磁化反転)、电気伝导特性の磁场や磁化による制御などが可能となり、现在も様々な现象が発见され続けている。

注3) 磁気トンネル接合、不揮発性メモリー
磁気トンネル接合とは、二层の强磁性体でナノメートル程度の膜厚の絶縁体を挟んだ积层膜构造を指す。磁気トンネル接合を记忆素子として用いることで惭搁础惭と呼ばれる不挥発性记忆素子が実现できる。情报の书き换えに上述のスピントルク磁化反転を利用する厂罢罢-惭搁础惭は、2018年顷から大手公司で量产が始まっている。

注4) 確率論的コンピューター
搁.笔.ファインマンが提唱したことで知られる、自然现象を効率良く再现するためのコンピューターの一つ。确率论的コンピューターでは短时间で出力信号が确率的に変化し、かつ各ビットを电気的に相関させられる确率ビット(笔ビット)が情报処理の基本単位となる。同时に2つの不确定な情报の重ね合わせ状态を持ち、かつビット间でもつれあい(相関状态)を形成できる量子ビット(蚕ビット)とは本质的に异なるが、一定の类似性があることから、量子コンピューターと并んで非従来型のコンピューターとして注目されている。

详细（プレスリリース本文）