理学部ニュース
理学部ニュース2026年9月号掲載
学部生に伝える研究最前線>
超高速・低消費電力計算を実現する不揮発スイッチング素子
Tsai Hanshen（物理学専攻 特任助教）
中辻 知（物理学専攻 教授）
近年，生成AIや大規模機械学習の急速な発展に伴い，
高速かつ低消費電力で動作する計算技術が求められている。
しかし，現在のCPUやGPUで使われるスイッチング素子は，
処理速度を高めるほど消費電力が急増するため，
ナノ秒（10億分の1秒）以下の超高速動作を低消費電力で実現することは困難であった。
本研究では，この課題を解決する候補として注目される磁性材料Mn₃Sn（マンガン・スズ）を用い，
40ピコ秒（1兆分の1秒）の極短電流パルスによって磁気状態（2値情報）を書き換えられる
ことを実証した。さらに，従来の強磁性体を用いたスイッチング素子と比較して，
1 桁以上低い消費電力で動作することも明らかにした。
Mn₃Sn は，「反強磁性体」と呼ばれる磁性材料の一種である。電子はスピンと呼ばれる自由度を持ち，物質中の磁性の起源の一つである。物質を構成する原子内でのスピン配列によって磁性体はいくつかに分類される。一般に磁石として知られる強磁性体では，スピンが同じ方向に揃うことで大きな磁化が生じ，その磁化方向を情報として利用できるため，ハードディスクなどの記録媒体に広く用いられている。一方，反強磁性体では，スピン同士が反対方向を向いて打ち消し合うため，全体の磁化はほぼゼロになる。しかし，スピンの応答速度は強磁性体より約3桁速く，超高速動作が可能なことから，次世代高速メモリ材料として注目されている。一方で，磁化がほとんど現れないため，通常はスピン状態を電気的に読み出すことが困難であった。
Mn₃Snは，トポロジカルな特性を持つ特異な電子バンド構造により，反強磁性体でありながら強磁性体に匹敵する大きな磁気応答を示すことが知られており，次世代の高速・低消費電力メモリ材料として期待されている。一方で，理論的にはピコ秒領域での高速動作が期待されていたものの，これまでの実験ではスイッチング速度はナノ秒程度にとどまり，既存の強磁性体を超える性能は実証されていなかった。
本研究では，Mn₃Snとタンタル（Ta）を組み合わせた薄膜構造を作製し，ピコ秒領域での超高速スイッチング特性を評価した。Taに印加した電流パルスから生成されるスピン角運動量をMn₃Sn へ注入することで，Mn₃Snがもつ磁気八極子と呼ばれる磁気状態をスイッチングすることができた。その結果，40ピコ秒の電流パルスによって，電源を切っても情報を保持できる不揮発性スイッチングに成功し，既報のスイッチング素子と比較して10分の1以下の電力密度で動作することを実証した。これにより，超高速動作と低消費電力化の両立を示し，強磁性体メモリに代わる次世代メモリ技術としての可能性を示した。
また，通信で利用される波長帯の光から生成した光電流パルスでもスイッチングが可能であることを確認した。この成果は，光ファイバーで伝送された情報を電気信号へ変換し，そのままメモリへ直接書き込む新たな情報処理技術への応用が期待される。
なお，本研究については以下の動画でも紹介している。
動画タイトル：量子コンピューターのエッセンスで素粒子から宇宙まで探る
https://youtu.be/UXdPHyjMD-s?t=1005
光電変換素子と反強磁性体スイッチング素子を組み合わせた不揮発量子スイッチングの模式図