多重の不揮発性状態を持つねじれた原子薄磁気トンネル接合

ゼロと一だけでなく多くを記憶する

今日のデジタル機器は大きくは白黒思考で動作しており、非常に小さな記憶素子はゼロか一のどちらかしか持ちません。本論文は、単一の超小型磁気デバイスに二つ以上の安定な値を詰め込む方法を探ります。原子層でできた磁性層を慎重にねじることで、研究者らは一つの接合が電源を必要とせずに複数の異なる状態を確実に保持できることを示し、より高密度のメモリ、新しい計算様式、そして究極的な小型化の限界に迫る機器の可能性を示唆しています。

古典的な磁気ビットから原子積層へ

磁気トンネル接合は、既に現代の磁気メモリやハードディスクの読み出しヘッドの中心的技術です。従来の接合では、二つの磁性金属層が極めて薄い絶縁バリアで隔てられています。電子は二層の磁化が同じ方向を向いているときにバリアをより簡単にトンネルし、反対向きのときよりも通電抵抗が低くなるため、二つの抵抗レベルがゼロと一を符号化します。この設計は堅牢でスケーラブルであることが証明されていますが、比較的厚く欠陥を含みやすい酸化物バリアで構成され、根本的に二つの安定状態に限定されます。

ねじれた原子層がもたらす変化

研究チームはCrSBrという材料に注目しました。これは単一原子層まで薄くしても磁性を保つ半導体です。自然な形では、二層のそれぞれのシート内では磁化が整列しますが、シート間では反対向きに結合します。導電性電極の間に障壁として用いると、この二層は既に「原子」スケールのトンネル接合として働きます。ここでの重要な洞察は、一つのCrSBr層をもう一つに対して回転させてねじれた界面を作ると、通常の強い層間結合が大きく弱まることです。ねじれた境界はそれぞれ、外部磁場がない状態でも磁気モーメントの二つの異なる安定配列を支持でき、それが二つの異なる伝導状態に対応します。

二つと四つの安定レベルを持つ素子の構築

まず研究者らは、一つのCrSBr単層を自然なCrSBr二層の上に積み上げ、単一のねじれ界面を持つ三層構造を作りました。下の二層は反並列パターンに強く固定され参照のように振る舞い、上のねじれた界面は準並列または準反並列のいずれかに落ち着けます。注意深い磁場掃引により、この原子スケールの接合を通る電流は零磁場で再現性よく二つのレベルの間を切り替えられることが示され、最適化された素子では抵抗変化は数百パーセントに達することがあります。基礎となる二層が強い“ピニング”を提供するため、これら二つの状態は多くのサイクルや広い磁場方向範囲で非常に安定です。

一つのねじれ界面を多階調素子に変える

著者らは設計を拡張し、二層の下にさらにもう一つのCrSBr単層を加え、上下に二つのねじれ界面を持つ四層スタック（単層/二層/単層）を作りました。これにより、上下の単層はそれぞれ中央の二層に対して独立に二つの配向のいずれかを取ることができ、組み合わせると四つの異なる磁気構成が生まれ、それぞれが零磁場で異なるトンネル電流を生成します。極低温での実験は、四つの明瞭に分離した再現性のある電流レベルを示しました。適度な磁場の方向と強さを操作することで、これら四つの状態の任意の組み合わせを直接または複数の切り替えステップを通じて相互に変換でき、単一の原子接合で制御可能な四レベルメモリセルを実現しています。

より豊かな磁気メモリと計算に向けて

これら特定のスタックに加え、著者らは全ての層が反強磁性である場合にも同様の考え方が働き、三つのねじれた二層からなるデバイスで三つの不揮発性レベルが得られることを示します。総じて、van der Waals磁性材料内部にねじれた界面を単純に追加するだけで、単一接合で利用可能な安定抵抗状態の数を増やせることが証明されました。一般向けに言えば、これはわずか数原子厚の素子でゼロや一だけでなく複数の値を格納できるメモリ要素への道を示しています。そのような多階調で超薄型の磁気トンネル接合は、将来的に同じ面積により多くの情報を詰め込み、脳に着想を得た新しい計算アーキテクチャや省エネルギーな計算を可能にするかもしれません。

引用: Chen, Y., Samanta, K., Healey, A.J. et al. Twisted atomic magnetic tunnel junctions with multiple nonvolatile states. Nat Commun 17, 2439 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70239-z

キーワード: 磁気トンネル接合, ねじれた2D磁性体, 多階調メモリ, CrSBr, スピントロニクス