スピントランスファートルクで駆動される高移動度慣性ドメイン壁：フェリ磁性スピネル酸化物において

次世代メモリチップ内部を走る壁

現代の機器は、できるだけ少ないエネルギーで素早くスイッチできるメモリに依存しています。本研究は、磁石内部の目に見えない境界であるドメイン壁が短い電気パルスで記録的な速度まで押し出される特殊な磁性材料を探ります。これらの微小な移動する壁を理解し制御することは、より高速で発熱の少ない新しい方式のメモリや論理チップの実現につながります。

新しい型の磁気レーストラック

ビット情報を狭い条に沿った磁気領域として記録し、それらを物理的に移動させるのではなく往復させる「レーストラックメモリ」は長年の夢です。課題は、適度な電流でこれらの領域を素早く滑らせることです。本研究では、著者らは単結晶基板上へ超薄膜として成長させた NiCo2O4 というフェリ磁性酸化物に着目しました。この材料は、全体的な磁化が小さく電気伝導度が高く、電子スピンの偏極が強いという特性を併せ持ち、理論的にはエネルギー損失を抑えてドメイン壁が迅速に移動できる要素を満たします。

隠れた磁気境界の可視化

壁を動かす前に、チームはまずその形状と内部のねじれを理解する必要がありました。彼らはダイヤモンド中の単一欠陥を利用した走査型センサーで薄膜上方の微小な磁場をナノメートル精度でマッピングしました。これらの磁場マップをフィッティングすると、壁はブロッホ型であり、壁を横切ると磁化が側方へ回転することがわかりました。さらに、多くの場合に壁を別の形にねじる相互作用はこの系ではほとんど存在しないことも示されました。この整った壁構造は、電流をかけたときの運動をより予測しやすくします。

やさしい電流で壁を押す

壁を駆動するために、研究者たちは材料をパターニングしたストリップに短い電流パルスを流し、反射光の小さな変化を検出する顕微鏡で結果の運動を観察しました。彼らは、電流の方向に沿って壁が移動し、電流密度が多くの競合材料よりも低い段階で速度が1 km/sを超えるのを観測しました。さらに注目すべきは、通常必要とされる電流より1〜2桁弱い電流でも明確に測定可能な速度で壁が動き始めたことです。逆方向の電流や磁場に対する運動を注意深く比較することで、壁の移動は主にスピントランスファートルクによって引き起こされていることが示されました。これは電流中の電子スピンが局所の磁化に力を与える過程です。

ナノスケールでの慣性と効率的な運動

電流パルスが終了しても、この材料の壁は瞬時に止まりません。代わりに約10億分の1秒（ナノ秒）程度滑り続け、まるで質量を持つ小さな物体のように慣性が存在することを示します。パルス長を変えることで、短いパルスのほうが平均速度が高くなることが見えました。これは多くの運動がパルスオフ後に起きるためです。この挙動から、壁の加速と減速がどれくらいの速さで起きるかを推定でき、特性時間は約1ナノ秒であり、多くの強磁性体で見られる値より短いことが明らかになりました。これらの測定から、フェリ磁性系で特に強いとされるトルクの非アディアバティック成分がこの酸化物では異常に大きいことも抽出されました。

将来のデバイスにとっての意味

これらの知見を総合すると、NiCo2O4 は比較的低い電流で非常に速くドメイン壁を移動させられ、その慣性や内部構造が定量的に理解された材料として際立ちます。同様のデバイスに使われる他の金属や酸化物と比較して、このスピネル酸化物は磁気レーストラック上でビットを移動させる際の速度とエネルギーコストのバランスが魅力的です。加えて、超高速レーザーパルスによる光学制御も可能であるため、この種のフェリ磁性スピネル材料は電気的・光学的な磁気制御を組み合わせた将来のメモリや計算技術の基盤になり得ます。

引用: Wu, M., Ding, S., van Schie, L. et al. High-mobility inertial domain walls driven by spin-transfer torque in a ferrimagnetic spinel oxide. Nat Commun 17, 4672 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71290-6

キーワード: スピントロニクス, ドメイン壁運動, フェリ磁性酸化物, スピントランスファートルク, レーストラックメモリ