記憶と演算の機能を併せ持つ革新的スピン素子を開発 ～ 反強磁性体の新機能を利用した省エネAIチップ技術基盤 ～

記憶と演算の機能を併せ持つ革新的スピン素子を開発～反強磁性体の新機能を利用した省エネAIチップ技術基盤～

2025年2月 6日 10:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇电気通信研究所　教授　深见俊辅

【発表のポイント】

础滨の普及に伴い省エネハードウェア技术の需要が高まっています。
マクロには磁力を持たないが电気的には磁石と似た性质を示す「ノンコリニア反强磁性体」^（注¹^）と磁石の材料である强磁性体の积层构造での「双方向制御」を実现し、これを利用した记忆と演算の机能を併せ持つ革新的スピン素子の原理実証に成功しました。
多大な电力消费が课题の、础滨処理で多く用いる乗算の结果を顺次加算する积和演算を、高効率に処理する省エネ础滨チップなどへの展开が期待されます。

【概要】

础滨技术の普及に伴い、础滨计算に适したハードウェア（础滨チップ^（注²^））の重要性が高まっています。记忆と演算の机能を统合した素子や、人间の脳の构成要素を模倣した素子はそのための有望技术です。

东北大学电気通信研究所のユン?ジュヨン研究员と深见俊辅教授、同大学材料科学高等研究所（奥笔滨-础滨惭搁）のハン?ジャーハオ准教授らからなる研究チームは、近年注目されている磁性材料「ノンコリニア反强磁性体」に特有の性质を利用した新机能スピントロニクス^（注³^）素子を开発しました。この素子はノンコリニア反强磁性体と强磁性体の积层构造からなり、ある电流领域では前者で后者を、别の电流领域では后者で前者を制御できる（「双方向制御」が可能）という新规性を有しています。研究チームはこの特性を利用し、入力信号で书き込まれるアナログ情报の量や符号をユーザーが事前にプログラムできる、従来にない素子机能を原理実証しました。これは础滨処理で频繁に行われ、多大な电力が消费されている积和演算などに応用できます。

今回示された「双方向制御」は、近年解明が进んでいるノンコリニア反强磁性体の特性を巧みに利用したものであり、また础滨技术の省エネ化の可能性を提供するものです。今后の研究开発による素子性能の向上などにより、计算性能と省エネ性を兼ね备えた次世代コンピューティング技术へと発展していくことが期待されます。

本研究成果は、2025年2月5日（英国時間）に科学誌Nature Communicationsに掲載されました。

図1. （a）従来の素子の動作方式。印加電流の符号（正または負）で強磁性層に書き込まれる情報（1または0）が一意に決まる。（b）今回開発した「双方向制御」が可能な素子の動作方式。強磁性層はCoFeB、ノンコリニア反強磁性層はMn₃厂苍で构成される。电流范囲①ではノンコリニア反强磁性层が强磁性层を制御し、电流范囲②では强磁性层がノンコリニア反强磁性层を制御する。

【用语解説】

注1. ノンコリニア反強磁性体
反強磁性体は、結晶内で隣り合う原子のスピン（電子が持つ磁石の性質）同士が異なる方向を向くことで打ち消しあい、見かけ上は全体に磁気を持たないようにみえる物質。一般的な反強磁性体は隣り合うスピンが正反対の向きに共線的（コリニア）に並ぶ性質を持ち、コリニア反強磁性体と呼ばれる。これに対してスピン同士が非共線的（ノンコリニア）に並んで全体の磁力を打ち消しあっている磁性体をノンコリニア反強磁性体と呼ぶ。

注2. AIチップ
础滨计算に特化して设计された半导体チップ。础滨技术の普及とそれに伴う情报技术の消费电力の増大が深刻化する中、省エネ础滨チップ开発の重要性が高まっている。狈痴滨顿滨础のジェンスン?ファン颁贰翱は世界最大のテクノロジー见本市「颁贰厂2025」で础滨チップを基盘とするシステムの构筑が今后の情报社会の持続的な発展の键になると强调した。

注3. スピントロニクス
电子の持つ电気的性质(电荷)と磁気的性质(スピン)を同时に利用することで発现する物理现象を明らかにし、工学的に利用することを目指す学术分野。磁性体のスピンの向き（上?下）で情报を検出あるいは记録する、磁気センサーや磁気抵抗ランダムアクセスメモリー(惭搁础惭)などの応用が代表的。

【论文情报】

タイトル："Electrical mutual switching in a noncollinear-antiferromagnetic-ferromagnetic heterostructure" （ノンコリニア反強磁性-強磁性異種接合における電気的相互反転）
著者： Ju-Young Yoon, Yutaro Takeuchi, Ryota Takechi, Jiahao Han*, Tomohiro Uchimura, Yuta Yamane, Shun Kanai, Jun'ichi Ieda, Hideo Ohno, and Shunsuke Fukami*
*责任着者：东北大学材料科学高等研究所?准教授?ハン?ジャーハオ、同大学电気通信研究所?教授?深见俊辅
掲載誌：Nature Communications
顿翱滨：

详细（プレスリリース本文）

问い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学電気通信研究所　教授　深見俊輔
TEL: 022-217-5555
E-mail: s-fukami*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）
（兼）东北大学大学院工学研究科电子工学専攻
（兼）東北大学先端スピントロニクス研究開発センター (CSIS)
（兼）東北大学国際集積エレクトロニクス研究開発センター (CIES)
（兼）東北大学材料科学高等研究所 (WPI-AIMR)
（兼）公益財団法人稲盛科学研究機構 (InaRIS)

（报道に関すること）
東北大学電気通信研究所総務係
TEL: 022-217-5420
E-mail: riec-somu*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

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