積層ナノ磁性体における磁気振動の増幅効果発見：ブランコと同じ運動が振動を増幅

AIハードウェアへの応用を目指す

　東北大学は2020年4月、積層ナノ磁性体において磁気振動の増幅効果を発見したと発表した。この原理を応用し、AI（人工知能）ハードウェアに向けたナノ磁気素子の開発に取り組む計画である。

　今回の研究は、東北大学材料科学高等研究所の水上成美教授や同大学院工学研究科の上牧瑛博士後期学生が、同研究所の義永那津人准教授（産業技術総合研究所産総研・東北大数理先端材料モデリングオープンイノベーションラボラトリの副ラボ長を兼務）らと共同で行った。

　膨大な情報量を効率よく利用するため、さまざまな分野で研究が進む。磁気の振動や波動を情報の担体とするAIハードウェアもその1つである。これまでも、ナノ磁気発振器や増幅器を用いるAI技術の研究成果が報告されてきたが、エネルギー効率などの点で課題もあったという。

　研究グループは今回、金属ナノ薄膜をナノ薄膜磁石で挟み込んだ積層ナノ磁性体（シンセチックアンチフェッロマグネット）に着目した。具体的には厚み0.4nmのルテニウム金属（非磁性金属）を、厚みが3nmのホウ化コバルト鉄（磁性体）2枚で挟み込んだ。

　この積層ナノ磁性体は、2つの層の磁気がばねのような力で結びついている。これによって、2つの層の磁気が「同方向（音響モード）」あるいは「逆方向（光学モード）」に振動することが、既に分かっている。

積層ナノ磁性体と磁気の振動の概念図 出典：東北大学

　研究グループは、パルス光を用いた独自の計測技術により、磁気の合成振動を数ピコ秒という分解能でリアルタイムに観察した。この実験から、磁気の振動は摩擦力により、時間経過とともに減衰する。ところが、ある条件下では磁気の振動が時間経過とともに増幅することが分かった。

左は測定手法、右は観測データの一例 出典：東北大学

　研究グループは、磁気の運動の数理を詳しく分析した。この結果、「同方向」あるいは「逆方向」と呼ぶ2つの振動の仕方には、人がブランコを漕いだときの運動と同じ原理が働いていることが分かった。これは「係数励振」と呼ばれ、ブランコの揺れが最初は小さくても、ブランコを漕ぐことによって揺れが大きくなる現象である。つまり、積層ナノ磁性体でも、2つの合成された磁気振動のうち、片方がもう一方を漕ぐことで、振動を増幅しているという。

左は観察された同方向の振動振幅と、二つの磁気振動の周波数との関係、右はブランコの類推 出典：東北大学

　研究グループによれば、開発した積層ナノ磁性体は、通電が要らない磁気振動や波動のナノ増幅器やナノ発振器になることを示したものだという。今後、素子化するための特性や材料の改善、集積化した時の性質など、実用化に向けた研究を継続していく予定である。