東北大学材料科学高等研究所（AIMR）の鈴木和也助教と水上成美教授は、新しいナノ薄膜磁石の開発に成功した（2018年12月7日発表）。本研究は、木村尚次郎准教授（東北大学金属材料研究所附属強磁場超伝導材料研究センター）ならびに久保田均総括研究主幹（産業技術総合研究所スピントロニクス研究センター）との共同研究で行われたものである。
人工知能技術や量子技術の開発によって、人の扱うデータ量は今後も爆発的に増大することが予想される。膨大なデータを有効に利用するさまざまな技術の開発は、持続的な社会の発展のために極めて重要な課題といえる。データを保存するメモリーの開発もその課題の1つである。
メモリー技術が研究開発される中で、期待されているのが、物質の磁気を利用した磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（MRAM）である。このメモリー技術では、磁石としての性質を示す導体と絶縁体からなるトンネル磁気抵抗（TMR）素子を用いる。素子を構成する薄膜磁石の磁気（磁極の向き）に1ビット情報を割り当て、磁極の向きを電気信号として読み出す、あるいは電気信号で磁極の向きを反転することで、ビット情報の書き込みを行う。永久磁石に見られるように、磁石はその磁気を保持する力を持つため、素子の保持するビット情報は電源を切っても失われない、いわゆる不揮発性を示すことから、システム全体の消費電力が低減できる。また、磁極の向きの反転は電子レベルで行われ原子移動が伴わないため、高速の情報書き込みに加え長寿命が期待されていることが、原子移動を基礎原理とする他の不揮発性メモリーと大きく異なるところである。
さらなる研究開発の方向性として超高集積MRAMの開発が挙げられる。その技術的な課題の1つが、MRAMの情報記録の源である薄膜磁石の磁力の低減である。高集積化が進むと、ナノ薄膜磁石の発する磁力によって素子同士に干渉が起き、誤動作することが予想される。これは、磁石を用いるというMRAMのデバイスコンセプトに直結する本質的な課題ともいえる。現行のSTT-MRAMでは鉄を主成分とする材料が用いられており、その強い磁力を抑えるさまざまな工夫が研究されている。他方、これまで当研究グループでは、磁石としての性質を示しつつも強い磁力を発しない金属元素であるマンガンを成分とする材料の研究を進め、その優れた特性を実証するとともに、ナノ結晶薄膜を有する素子の開発にも成功した。
本研究では、数原子層の純マンガンを規則合金（常磁性体）下地の上に真空スパッタリング法によって堆積し、酸化マグネシウムで挟み込んだ素子構造を作製した。この界面に挟み込まれたマンガン層は微弱な磁気を発するナノ薄膜磁石へと変化し、その磁気の強さは強磁性体である鉄の約1/70となることが分かった。これは、マンガンが界面に挟み込まれることでフェリ磁性体に変化したことに起因すると考えられる。磁気が微弱であるにも関わらず、その素子は明瞭なTRM効果を室温で発現することが明らかとなった。また、マンガンナノ薄膜磁石の磁気を保持する力（垂直磁気異方性）は磁場に換算すると19テスラを超えるほどに大きいこと、またその磁気を保持する力が素子に電圧を加えることで制御できることを見いだした。この電圧印加による垂直磁気異方性の変調効果は、鉄などの強い磁気を示す物質で観測されこれまで多くの研究報告があるが、磁気をほとんど示さないマンガン金属単体で観測された例はなかった。
今回の研究成果は、本来磁気を示さない金属元素を用いてメモリー用のナノ薄膜磁石を創出するという新しい材料設計コンセプトを実証したものである。従って本研究は、これからのメモリー用の材料開発手法に新しい視点を与えると同時に、材料科学的観点からも意義のあるものといえる。
◆用語
〇磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（MRAM）、STT-MRAM
磁気抵抗素子を1ビット記憶素子とする不揮発性メモリーの総称である。
情報の読み出しは磁気抵抗効果を用い、現在開発されているほとんどのMRAMでは、磁気抵抗の変化の大きなトンネル磁気抵抗（TMR）素子が用いられる。素子をセル選択用の半導体トランジスタとナノスケールで統合することで、1ビットメモリーセルとして機能する。さらに半導体技術によって膨大な数のメモリーセルを集積することで、メモリーデバイスとして機能する。
情報の書き込み方式として、古くは磁場書き込み、最近ではスピントランスファートルク（STT）書き込みが用いられている。さらに最先端の書き込み方式としてスピン軌道トルク（SOT）書き込みがあり、書き込み方式SOT-MRAMなどと呼ばれる。
これらの書き込み方式では電気信号のうちの電流をその駆動原理として用いる。電圧書き込みと呼ばれる書き込みでは、電気信号のうち電圧を用いるため、書き込みに要するエネルギーをさらに低減できる可能性があるため、電圧書き込みMRAMの基礎技術開発が進んでいる。
〇トンネル磁気抵抗（TMR）素子
磁石の性質を有する導体薄膜で絶縁体薄膜を挟み込んだ積層型の素子で、各層は数ナノメートル程度の厚みである。絶縁体の上下の導体に電圧を加えると量子力学的トンネル効果により電流が流れる。上下の2つの磁石の磁化（磁極の向き）が平行な場合と反平行な場合で素子の電気抵抗が変化するトンネル磁気抵抗（TMR）効果を発現するため、TMR素子と呼ばれる。
〇不揮発性メモリー
デジタルビット情報を記憶した状態を保つためにエネルギーを消費しないメモリーを指す。MRAMの他に、抵抗変化メモリー（ReRAM）、相変化メモリー（PRAM）、強誘電体メモリー（FeRAM）などがある。ReRAM、PRAM、FeRAMでは、記憶するビット情報が変化する際に、物質中の原子移動が伴うところがMRAMと大きく異なる。
〇強磁性体、反強磁性体、常磁性体、フェリ磁性体
磁気の源であるスピンが物質の中で平行に配列しているものが強磁性体であり、一般的には強い磁気を示すことが知られている。スピンが反平行に配列している物質を反強磁性体と呼び、スピンの配列がランダムに熱振動している物質は常磁性体と呼ばれ、これらは磁気を有することはない。フェリ磁性体とは、異なる大きさのスピンが反平行に配列している状態で、微弱な磁気を示すものである。
〇垂直磁気異方性
薄膜状の磁石の磁化（磁極の向き）を薄膜面から垂直に向け、その磁気を保持する力。この特性によって膜の面に磁極が現れているものを垂直磁化膜といい、垂直磁気異方性が強い材料ほどこの状態が安定になる。垂直磁気異方性の大きさは、エネルギー密度（単位：J/m3）あるいは磁場の大きさ（単位：T）で表現され、これらは磁気の強さ（単位：A/m）を用いると、磁場の大きさ＝2Xエネルギー密度/磁気の強さ、の関係にある。
〇電圧印加による垂直磁気異方性の変調
垂直磁気異方性が電気（電圧）によって変化する現象。例えば、厚さが数原子層程度の鉄と絶縁体を積層したコンデンサー構造に電圧を加えることでその現象が観測されることが知られており、非常に多くの研究がこれまで報告されている。この現象を応用し、電圧によって磁極の向きを反転できることもすでに実証されており、電圧書き込み型MRAMの重要な要素技術である。
今日の天気は、朝から雨。
東日本大震災から8年となりました。
全国各地から沢山の支援をいただきました。ありがとうございます。
東日本大震災は、2011年（平成23年）3月11日に発生した東北地方太平洋沖地震による災害およびこれに伴う福島第一原子力発電所事故による災害である。大規模な地震災害であることから大震災と呼称される。
この地震により、場所によっては波高10m以上、最大遡上高40.1mにも上る巨大な津波が発生し、東北地方と関東地方の太平洋沿岸部に壊滅的な被害が発生した。また、巨大津波以外にも、地震の揺れや液状化現象、地盤沈下、ダムの決壊などによって、北海道南岸から東北を経て東京湾を含む関東南部に至る広大な範囲で被害が発生し、各種インフラが寸断された。
2018年(平成30年)9月10日時点で、震災による死者・行方不明者は1万8,432人、建築物の全壊・半壊は合わせて40万2,704戸] が公式に確認されている。震災発生直後のピーク時においては避難者は40万人以上、停電世帯は800万戸以上、断水世帯は180万戸以上 等の数値が報告されている。復興庁によると、2018年2月13日時点の避難者等の数は約7万3,000人となっており、避難が長期化していることが特徴的である。
津波による浸水面積 - 561km2
津波被害農地 - 2万1,476ha（宮城14,341、福島5,462、岩手725等）
漁船被害 - 2万8,612隻
漁港被害 - 319港
日本政府は震災による直接的な被害額を16兆円から25兆円と試算している。この額は、被害が大きかった岩手・宮城・福島の3県の県内総生産の合計に匹敵する（阪神・淡路大震災では兵庫県1県の県内総生産の半分ほどであった）。世界銀行の推計では、自然災害による経済損失額としては史上1位としている。
人工知能技術や量子技術の開発によって、人の扱うデータ量は今後も爆発的に増大することが予想される。膨大なデータを有効に利用するさまざまな技術の開発は、持続的な社会の発展のために極めて重要な課題といえる。データを保存するメモリーの開発もその課題の1つである。
メモリー技術が研究開発される中で、期待されているのが、物質の磁気を利用した磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（MRAM）である。このメモリー技術では、磁石としての性質を示す導体と絶縁体からなるトンネル磁気抵抗（TMR）素子を用いる。素子を構成する薄膜磁石の磁気（磁極の向き）に1ビット情報を割り当て、磁極の向きを電気信号として読み出す、あるいは電気信号で磁極の向きを反転することで、ビット情報の書き込みを行う。永久磁石に見られるように、磁石はその磁気を保持する力を持つため、素子の保持するビット情報は電源を切っても失われない、いわゆる不揮発性を示すことから、システム全体の消費電力が低減できる。また、磁極の向きの反転は電子レベルで行われ原子移動が伴わないため、高速の情報書き込みに加え長寿命が期待されていることが、原子移動を基礎原理とする他の不揮発性メモリーと大きく異なるところである。
さらなる研究開発の方向性として超高集積MRAMの開発が挙げられる。その技術的な課題の1つが、MRAMの情報記録の源である薄膜磁石の磁力の低減である。高集積化が進むと、ナノ薄膜磁石の発する磁力によって素子同士に干渉が起き、誤動作することが予想される。これは、磁石を用いるというMRAMのデバイスコンセプトに直結する本質的な課題ともいえる。現行のSTT-MRAMでは鉄を主成分とする材料が用いられており、その強い磁力を抑えるさまざまな工夫が研究されている。他方、これまで当研究グループでは、磁石としての性質を示しつつも強い磁力を発しない金属元素であるマンガンを成分とする材料の研究を進め、その優れた特性を実証するとともに、ナノ結晶薄膜を有する素子の開発にも成功した。
本研究では、数原子層の純マンガンを規則合金（常磁性体）下地の上に真空スパッタリング法によって堆積し、酸化マグネシウムで挟み込んだ素子構造を作製した。この界面に挟み込まれたマンガン層は微弱な磁気を発するナノ薄膜磁石へと変化し、その磁気の強さは強磁性体である鉄の約1/70となることが分かった。これは、マンガンが界面に挟み込まれることでフェリ磁性体に変化したことに起因すると考えられる。磁気が微弱であるにも関わらず、その素子は明瞭なTRM効果を室温で発現することが明らかとなった。また、マンガンナノ薄膜磁石の磁気を保持する力（垂直磁気異方性）は磁場に換算すると19テスラを超えるほどに大きいこと、またその磁気を保持する力が素子に電圧を加えることで制御できることを見いだした。この電圧印加による垂直磁気異方性の変調効果は、鉄などの強い磁気を示す物質で観測されこれまで多くの研究報告があるが、磁気をほとんど示さないマンガン金属単体で観測された例はなかった。
今回の研究成果は、本来磁気を示さない金属元素を用いてメモリー用のナノ薄膜磁石を創出するという新しい材料設計コンセプトを実証したものである。従って本研究は、これからのメモリー用の材料開発手法に新しい視点を与えると同時に、材料科学的観点からも意義のあるものといえる。
◆用語
〇磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（MRAM）、STT-MRAM
磁気抵抗素子を1ビット記憶素子とする不揮発性メモリーの総称である。
情報の読み出しは磁気抵抗効果を用い、現在開発されているほとんどのMRAMでは、磁気抵抗の変化の大きなトンネル磁気抵抗（TMR）素子が用いられる。素子をセル選択用の半導体トランジスタとナノスケールで統合することで、1ビットメモリーセルとして機能する。さらに半導体技術によって膨大な数のメモリーセルを集積することで、メモリーデバイスとして機能する。
情報の書き込み方式として、古くは磁場書き込み、最近ではスピントランスファートルク（STT）書き込みが用いられている。さらに最先端の書き込み方式としてスピン軌道トルク（SOT）書き込みがあり、書き込み方式SOT-MRAMなどと呼ばれる。
これらの書き込み方式では電気信号のうちの電流をその駆動原理として用いる。電圧書き込みと呼ばれる書き込みでは、電気信号のうち電圧を用いるため、書き込みに要するエネルギーをさらに低減できる可能性があるため、電圧書き込みMRAMの基礎技術開発が進んでいる。
〇トンネル磁気抵抗（TMR）素子
磁石の性質を有する導体薄膜で絶縁体薄膜を挟み込んだ積層型の素子で、各層は数ナノメートル程度の厚みである。絶縁体の上下の導体に電圧を加えると量子力学的トンネル効果により電流が流れる。上下の2つの磁石の磁化（磁極の向き）が平行な場合と反平行な場合で素子の電気抵抗が変化するトンネル磁気抵抗（TMR）効果を発現するため、TMR素子と呼ばれる。
〇不揮発性メモリー
デジタルビット情報を記憶した状態を保つためにエネルギーを消費しないメモリーを指す。MRAMの他に、抵抗変化メモリー（ReRAM）、相変化メモリー（PRAM）、強誘電体メモリー（FeRAM）などがある。ReRAM、PRAM、FeRAMでは、記憶するビット情報が変化する際に、物質中の原子移動が伴うところがMRAMと大きく異なる。
〇強磁性体、反強磁性体、常磁性体、フェリ磁性体
磁気の源であるスピンが物質の中で平行に配列しているものが強磁性体であり、一般的には強い磁気を示すことが知られている。スピンが反平行に配列している物質を反強磁性体と呼び、スピンの配列がランダムに熱振動している物質は常磁性体と呼ばれ、これらは磁気を有することはない。フェリ磁性体とは、異なる大きさのスピンが反平行に配列している状態で、微弱な磁気を示すものである。
〇垂直磁気異方性
薄膜状の磁石の磁化（磁極の向き）を薄膜面から垂直に向け、その磁気を保持する力。この特性によって膜の面に磁極が現れているものを垂直磁化膜といい、垂直磁気異方性が強い材料ほどこの状態が安定になる。垂直磁気異方性の大きさは、エネルギー密度（単位：J/m3）あるいは磁場の大きさ（単位：T）で表現され、これらは磁気の強さ（単位：A/m）を用いると、磁場の大きさ＝2Xエネルギー密度/磁気の強さ、の関係にある。
〇電圧印加による垂直磁気異方性の変調
垂直磁気異方性が電気（電圧）によって変化する現象。例えば、厚さが数原子層程度の鉄と絶縁体を積層したコンデンサー構造に電圧を加えることでその現象が観測されることが知られており、非常に多くの研究がこれまで報告されている。この現象を応用し、電圧によって磁極の向きを反転できることもすでに実証されており、電圧書き込み型MRAMの重要な要素技術である。
今日の天気は、朝から雨。
東日本大震災から8年となりました。
全国各地から沢山の支援をいただきました。ありがとうございます。
東日本大震災は、2011年（平成23年）3月11日に発生した東北地方太平洋沖地震による災害およびこれに伴う福島第一原子力発電所事故による災害である。大規模な地震災害であることから大震災と呼称される。
この地震により、場所によっては波高10m以上、最大遡上高40.1mにも上る巨大な津波が発生し、東北地方と関東地方の太平洋沿岸部に壊滅的な被害が発生した。また、巨大津波以外にも、地震の揺れや液状化現象、地盤沈下、ダムの決壊などによって、北海道南岸から東北を経て東京湾を含む関東南部に至る広大な範囲で被害が発生し、各種インフラが寸断された。
2018年(平成30年)9月10日時点で、震災による死者・行方不明者は1万8,432人、建築物の全壊・半壊は合わせて40万2,704戸] が公式に確認されている。震災発生直後のピーク時においては避難者は40万人以上、停電世帯は800万戸以上、断水世帯は180万戸以上 等の数値が報告されている。復興庁によると、2018年2月13日時点の避難者等の数は約7万3,000人となっており、避難が長期化していることが特徴的である。
津波による浸水面積 - 561km2
津波被害農地 - 2万1,476ha（宮城14,341、福島5,462、岩手725等）
漁船被害 - 2万8,612隻
漁港被害 - 319港
日本政府は震災による直接的な被害額を16兆円から25兆円と試算している。この額は、被害が大きかった岩手・宮城・福島の3県の県内総生産の合計に匹敵する（阪神・淡路大震災では兵庫県1県の県内総生産の半分ほどであった）。世界銀行の推計では、自然災害による経済損失額としては史上1位としている。