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【分野】スピントロニクス

【タイトル】スピンを用いた新しい論理演算デバイスの室温動作実証に成功
〜次世代論理演算デバイスの実現に向けて大きく前進〜

【出典】
Ryoma Ishihara, Yuichiro Ando, Soobeom Lee, Ryo Ohshima, Minori Goto, Shinji Miwa, Yoshishige Suzuki, Hayato Koike, and Masashi Shiraishi, PHYSICAL REVIEW APPLIED 13, 044010 (2020), DOI:10.1103/PhysRevApplied.13.044010

京都大学 プレスリリース
スピンを用いた新しい論理演算デバイスの室温動作実証に成功
-次世代論理演算デバイスの実現に向けて大きく前進-
(2020年4月9日)
https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2020-04-09

【概要】
シリコン基板上に2入力1出力とした3本の強磁性体を作成した構造で、スピン流を用いた「スピン流論理演算デバイス(排他的論理和回路)」の室温動作実証に成功した。これまでに開発されてきたスピン流デバイスは従来の電子デバイスにスピン機能を付加するものが主流であり、回路全体として期待できる性能向上も限定的となっていた。今回の研究はこれまでのスピン流デバイスと異なり、より高度な論理演算をスピン流が担うため、集積度、計算速度、省エネルギーの飛躍的な向上が期待される。

【本文】
京都大学大学院工学研究科の安藤裕一郎特定准教授・白石誠司教授のグループはTDK株式会社の小池勇人テーマリーダー、大阪大学大学院基礎工学研究科の鈴木義茂教授のグループらと共同で、スピン流を用いた「スピン流論理演算デバイス(排他的論理和(XOR)回路)」の室温動作実証に成功した。
 現代のエレクトロニクス産業はトランジスタに代表される半導体デバイスにより支えられている。近年、コンピューターの消費電力は爆発的に上昇しており、デバイスの低消費エネルギー化が重要な課題となっている。デバイスの消費エネルギーを抑えるには、電子が物質の中を運動するときに発生するジュール熱を低減する必要がある。スピン流はエネルギー消費の極めて小さい情報輸送手段や情報記憶デバイスの駆動、更には全く新しい演算手法の担い手として期待されている。
本研究では、シリコンをチャネルとしたXOR回路デバイスを作製し、その室温動作実証に成功した。図はスピン流論理演算デバイスの概念図(左)と、室温動作の結果(右)である。シリコンは電子デバイスの主要材料であり、工学的に極めて重要である。スピントロニクス分野においてもスピン寿命が極めて長いという特長を有しており、効率的にスピン機能を発現することができる好適な材料である。今回の研究ではその特性を生かし、シリコンをチャネルとしたスピン流論理演算デバイスの室温動作に世界で初めて成功した。また論理演算の動作特性を電界ゲートによって変調することにも成功した。これは複数の論理演算デバイスの安定動作に極めて重要な技術である。今回の研究では演算した結果を電圧および電流で出力したが、スピンや光など他の物理量で出力することも可能である。また、強磁性体の配置を工夫することで、磁気論理ゲートデバイスを含め、更に複雑で大規模な論理演算を実現することもできる。スピン流を用いた次世代論理演算デバイスの実現に向けて重要な第一歩であり、多くのスピン流論理演算デバイスで基礎となる技術が確立されたと言える。今後、更に複雑な論理演算を行うデバイスが理論・実験ともに加速されることが期待される。
本成果は、米国物理学会誌Physical Review Appliedから出版された。(PHYSICAL REVIEW APPLIED 13, 044010 (2020)) (沼津高専 大澤 友克)

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