光励起による電子制御 – 磁鉄鉱は次世代デバイスの幕開けになるか？

スピントロニクスの可能性

トランジスタなどの電子部品は一般にシリコンなどの半導体で作られ、電流の流れを制御します。二進数の0と1は、電圧や電流などの異なる状態で表されます。これに対し、スピントロニクスは電子の流れだけでなく、電子の基本的な量子特性であるスピンも利用する技術です。

スピントロニクスは従来の電子システムに比べていくつかの利点があります。例えば、次のような可能性が挙げられます。

• スピン状態を高速に制御できれば、データ処理や転送の高速化につながります。
• 実装によっては、情報の書き込みや保持に必要な消費電力を減らせます。
• 金属や磁性材料など、従来の半導体回路とは異なる材料を利用できます。

スピントロニクスはハードディスクの読み取りヘッドなどに使われ、記憶容量の向上に貢献してきました。

スピントロニクス分野で研究されている材料の一つが磁鉄鉱です。酸素と、酸化状態の異なる鉄を含む天然鉱物です。

出典: Britannica

磁鉄鉱の磁気特性は古くから知られていますが、その電子状態には今も新たな発見があります。

スイス連邦工科大学ローザンヌ校（EPFL）の研究者は、波長の異なるレーザー光で磁鉄鉱に通常の平衡状態とは異なる相を生じさせられることを示しました。将来の電子材料やデバイスの開発につながる可能性があります。

磁鉄鉱の隠れた特性

研究者が注目したのは、磁鉄鉱が低温で電気を通しやすい状態から絶縁性の状態へ変化する金属・絶縁体転移です。これはフェルウェー転移と呼ばれます。相転移では物質の構造や性質が変化します。水が凍って氷になる現象も、その一例です。

波長800nmの近赤外光と400nmの可視光を使うことで、研究者は磁鉄鉱に異なる非平衡状態を誘起しました。これらの「隠れた相」は、通常の平衡条件では現れにくい状態です。

この変化は極めて短い時間に起こるため、観測も容易ではありません。研究者は超高速電子回折（UED）を用い、1ピコ秒、すなわち1兆分の1秒より短い時間尺度の原子の動きを調べました。

結晶構造の変化

磁鉄鉱の低温側の構造は単斜晶格子で表されます。単位格子は三辺の長さが異なる傾いた箱のような形をしており、二つの角は90度で、残る一つは異なります。温度が変わると結晶構造も変化します。

出典: ACS

800nmの光を当てると単斜晶格子が急速に圧縮され、立方晶に近づく変化が起こりました。ただし試料全体が単一の立方晶相になったのではなく、金属的な領域と絶縁性の領域が混在しました。観測では約50ピコ秒の間に三段階の変化が確認されました。

一方、400nmの光は格子を膨張させ、単斜晶構造を強めました。より秩序のある絶縁性の状態が形成されたのです。

こうした光誘起状態は通常の平衡状態とは異なり、金属・絶縁体転移の際に構造と電子状態がどう結びつくかを理解する手がかりになります。

新しい電子システム

この発見は、レーザー光の波長を選ぶことで磁鉄鉱の電子的性質を制御できることを示しています。

高速な光パルスで材料の状態を切り替える方法は、将来の情報処理技術に応用できる可能性があります。

研究者は、適切に設計した光パルスを用いることで、超高速の時間尺度で物質の状態を制御する新しい方法につながると説明しています。

磁鉄鉱の隠れた相を誘起し制御する能力は、先端材料やデバイスの開発に役立つ可能性があります。

例えば、異なる電子状態を高速かつ効率的に切り替えられる材料は、次世代の計算装置やメモリへの応用が考えられます。

より優れたメモリ

スピントロニクスは、電子機器メーカーにとって重要な研究開発分野です。ハードディスクで活用されてきた技術は、他の記憶装置にも広がっています。

例えば、磁気抵抗メモリ（MRAM）は一部の用途でDRAMなどの代替候補となります。Everspinは既にMRAM製品を商用化しています。温度変化や放射線に対する耐性が求められる航空宇宙分野などで採用例があります。すべてのMRAMが同じ耐性を持つわけではなく、製品仕様の確認が必要です。

MRAMは電源を切っても情報を保持できるため、用途によっては消費電力を抑えられます。プロセッサ内のキャッシュなどへの応用も研究されています。ただし、容量、速度、書き込み電力、発熱、製造コストの間にはトレードオフがあり、あらゆる用途で一律に80％の省電力になるわけではありません。

フォトニクス？

レーザーで磁鉄鉱の状態を変える研究は、光を情報処理に利用するフォトニクスとも関連します。この分野は、私たちの半導体システムを超えて計算を行う企業に関する記事でも取り上げています。

光を使って計算するシステムに、光で状態を切り替えられるメモリを組み合わせれば、計算結果の記録までの変換工程を減らせるかもしれません。ただし、今回の磁鉄鉱研究から実用的なメモリシステムに至るには、さらに研究が必要です。

スピントロニクス企業

1. Everspin Technologies

Everspinは2008年にFreescaleのMRAM事業から分離して設立され、2016年に新規株式公開（IPO）を行いました。Freescaleは後にNXP（株式コードNXPI）に買収されました。

EverspinはMRAM技術のリーダーと見なされており、Freescaleが2006年に世界初のMRAMチップを商用化した経験を継承しています。

MRAMは電源がなくてもデータを保持する不揮発性メモリです。このため、重要なデータの保持が求められる用途で利用されています。

データ分析、クラウドコンピューティング、地上・宇宙を問わないアプリケーション、人工知能（AI）や産業用IoTを含むエッジAIなど、広範な用途に駆動され、永続メモリ市場は2020年から2030年までに年平均成長率27.5％で拡大すると予測されています。Everspin

出典: Everspin

同社の資料では対象市場が2027年に74億ドルへ拡大すると予測されていました。また、当時の資料は無借金と2021年以降のプラスのフリーキャッシュフローを挙げていました。これらは当時の予測や財務状況であり、将来の成果を保証するものではありません。

EverspinのMRAM製品は、航空宇宙、衛星、データ記録装置、患者監視装置など、信頼性が重視される市場で利用されています。

出典: Everspin

半導体、人工知能、脳のシナプスを模した計算システムの発展も、長期的な需要につながる可能性があります。

2. NVE Corporation

スピントロニクスの別の企業であるNVEは、1995年にMRAM技術に関する最初の特許を取得して以来、この技術に取り組んできました。

同社はスピントロニクスを利用したセンサーとアイソレータを製造しています。主に自動車、歯車の位置や回転の測定、医療機器、電源、その他の産業機器などで使われます。

出典: NVE

NVEはスピントロニクスを利用した磁気センサーやアイソレータに重点を置いており、メモリを主力とするEverspinとは事業構成が異なります。MRAM分野ではIntel (INTC )、Qualcomm (QCOM )、東芝、Samsungなども研究開発を進めてきました。

どちらの企業が魅力的かは、投資家の目的やリスク許容度によって異なります。NVEの配当に関心を持つ投資家もいますが、配当があること自体は元本や将来の支払いの安全性を保証しません。