CRANN（適応型ナノ構造とナノデバイスの研究センター）とダブリン大学トリニティ・カレッジ物理学部の研究者らは本日、磁性材料同センターで開発されたこの技術は、これまでに記録された中で最も高速な磁気スイッチングを実証しています。
研究チームは、CRANN フォトニクス研究室のフェムト秒レーザーシステムを使用して、物質の磁気の向きを 1 兆分の 1 秒で切り替え、その後再切り替えしました。これは、これまでの記録の 6 倍、パソコンのクロック速度の 100 倍の速さです。
この発見は、エネルギー効率に優れた新世代の超高速コンピューターおよびデータ ストレージ システム向けの材料の可能性を示しています。
研究者たちは、2014年にマンガン、ルテニウム、ガリウムから初めて合成したMRGと呼ばれる合金で、前例のないスイッチング速度を達成した。実験では、MRGの薄膜に赤色レーザー光をバースト照射し、10億分の1秒未満でメガワット級の電力を供給した。
熱伝達によってMRGの磁気の向きが切り替わります。この最初の変化には、想像を絶するほど速い10分の1ピコ秒（1ピコ秒は1兆分の1秒）しかかかりません。しかし、さらに重要なのは、研究チームが10兆分の1秒後に向きを元に戻せることを発見したことです。これは、これまでに観測された磁石の向きの再切り替えの中で最速です。
彼らの研究結果は今週、主要な物理学雑誌『Physical Review Letters』に掲載された。
この発見は、革新的なコンピューティングと情報技術の新たな道を開く可能性がある。磁性材料この業界には磁性材料が数多く存在します。私たちの多くの電子機器や、インターネットの中核を担う大規模データセンターには、磁性材料がデータの読み取りと保存に利用されています。現代の情報爆発は、かつてないほど多くのデータを生み出し、多くのエネルギーを消費しています。エネルギー効率の高いデータ操作方法と、それに適した材料を見つけることは、世界的な研究の課題となっています。
トリニティチームの成功の鍵は、磁場を一切使用せずに超高速スイッチングを実現した点にあります。従来の磁石のスイッチングには別の磁石が必要で、エネルギーと時間の両面でコストがかかります。MRGでは、材料と光との独特な相互作用を利用し、熱パルスでスイッチングを実現しました。
トリニティの研究者であるジャン・ベスバス氏とカルステン・ローデ氏は、研究の1つの方向性について議論しています。
「磁性材料磁気抵抗効果素子（MRG）は、本質的に論理演算に使用できるメモリを備えています。これまで、ある磁気状態（論理0）から別の磁気状態（論理1）への切り替えは、エネルギー消費量が大きく、速度も遅すぎました。私たちの研究では、MRGをある状態から別の状態へ0.1ピコ秒で切り替えられること、そしてさらに重要なことに、2回目の切り替えがわずか10ピコ秒後に実行できることを示し、これは約100ギガヘルツの動作周波数に相当し、これはこれまで観測されたものよりも高速です。
「この発見は、光とスピンを効果的に結合させるMRGの特別な能力を浮き彫りにし、これまで達成できなかった時間スケールで光で磁性を、光で磁性を制御できるようになることを示している。」
トリニティ大学物理学部およびCRANNのマイケル・コーイ教授は、チームの研究について次のようにコメントしています。「2014年に、私と私のチームが、マンガン、ルテニウム、ガリウムのまったく新しい合金（MRG）を開発したことを初めて発表したとき、その材料にこれほど驚くべき磁気光学的可能性があるとは想像もしていませんでした。
この実証は、光と磁気に基づく新たなデバイスコンセプトの創出に繋がり、速度とエネルギー効率の大幅な向上が期待されます。最終的には、メモリとロジック機能を統合した単一の汎用デバイスが実現するかもしれません。これは大きな挑戦ですが、私たちはそれを可能にする可能性のある材料を示しました。この研究を進めるための資金と産業界との協力を確保したいと考えています。
投稿日時: 2021年5月5日