スキルミオンの研究 - 量子ダイヤモンドNV中心AFMアプリケーション

米粒ほどの大きさのラップトップのハードドライブを想像できますか? 磁場中の神秘的な準粒子構造であるスキルミオンは、この「米粒」のより多くの記憶領域とより高速なデータ転送速度を備えて、この一見考えられないアイデアを現実にする可能性があります。では、この奇妙な粒子構造を観察するにはどうすればよいでしょうか? CIQTEK Quantum Diamond Atomicダイヤモンドの窒素空孔 (NV) 中心と AFM スキャン画像に基づいた力顕微鏡 (QDAFM) が答えを教えてくれます。

 

 

スキルミオンとは

 

大規模集積回路の急速な発展により、チップがナノメートルスケールに加工され、量子効果が徐々に明らかになり、「ムーアの法則」は物理的な限界に直面しました。同時に、チップ上に集積された電子部品がこれほど高密度に集積されると、熱放散の問題が大きな課題となっています。人々はボトルネックを打破し、集積回路の持続可能な開発を促進するための新しい技術を緊急に必要としています。

 

スピントロニクスデバイスは、電子のスピン特性を利用することで情報の保存、転送、処理の効率を高めることができ、これは上記のジレンマを打破する重要な方法です。近年、磁性構造のトポロジカル特性とその関連応用は、次世代スピントロニクスデバイスの情報担体として期待されており、この分野で現在注目されている研究の一つとなっている。

 

スキルミオン（以下、磁気スキルミオンと呼ぶ）は準粒子の性質を持ったトポロジカルに保護されたスピン構造であり、特殊な磁壁としてその構造は渦を伴う磁化分布となっている。磁壁と同様に、スキルミオンにも磁気モーメント反転が存在しますが、磁壁とは異なり、スキルミオンは渦構造であり、その磁気モーメント反転は中心から外側に向かうもので、一般的なものはブロッホ型です。スキルミオンとニール型スキルミオン。

 

図 1: スキルミオンの構造の模式図。(a) ニール型スキルミオン (b) ブロッホ型スキルミオン

 

スキルミオンは、操作の容易さ、安定性の容易さ、小型、駆動速度の速さなどの優れた特性を備えた天然の情報媒体です。したがって、スキルミオンをベースにした電子デバイスは、不揮発性、大容量、高速性、低消費電力といった将来のデバイスの性能要件を満たすことが期待されています。

 

スキルミオンの用途とは

 

スカーミオン競馬場の記憶

Racetrack メモリは、磁性ナノワイヤをトラックとして、磁壁をキャリアとして使用し、電流によって磁壁の動きを駆動します。2013 年に研究者らは、より有望な代替品であるスキルミオン競馬場メモリを提案しました。磁壁の駆動電流密度と比較すると、スキルミオンは 5 ～ 6 桁小さいため、エネルギー消費と発熱が少なくなります。スキルミオンを圧縮することにより、隣接するスキルミオン間の距離とスキルミオンの直径を同程度の大きさにすることができ、記憶密度を高めることができます。

 

図 2: スカーミオンベースの競馬場メモリ

 

スキルミオントランジスタ

スキルミオンはトランジスタの方向にも使用でき、半導体開発に新しいアイデアをもたらします。図 3 に示すように、MTJ (磁気トンネル接合) を使用してデバイスの一端でスキルミオンが生成され、続いてスピン分極電流がスキルミオンをもう一方の端に向かって駆動します。トランジスタのスイッチング状態を実現するために、デバイスの中央にゲートが設置されます。ゲートに電圧を印加すると電場が発生し、材料の垂直磁気異方性が変化し、スキルミオンのオン/オフを制御できます。電圧が印加されていない場合、スキルミオンはゲートを通過してデバイスの他端に達することができ、この状態はオン状態として定義されます。外部電場が印加されるとスキルミオンはゲートを通過せず、この状態がオフ状態と定義されます。

 

図 3: スキルミオン トランジスタ

 

スキルミオンベースの型破りなコンピューティング

ニューロモーフィックコンピューティングユニットは、従来のコンピューティングユニットと比較して、ニューラルネットワークの観点から低消費電力と大規模なコンピューティングという利点を持っています。ニューロモーフィック コンピューティング ユニットを製造するには、ナノメートル サイズ、不揮発性、低消費電力の要件を満たす必要があります。スキルミオンはそのようなデバイスに新たな可能性をもたらします。スキルミオンは制御された可動性を備えているため、生体神経を適切にシミュレートすることができ、同時に不純物の固定効果をより効率的に取り除くことができ、より堅牢になります。

 

図4:  (a) スキルミオンベースのニューラルコンピューティングデバイス (b) スキルミオンベースの確率的コンピューティングデバイス

 

スキルミオンはランダムなコンピューティング デバイスでも使用できます。主流のコンピューティング技術は従来のバイナリ形式で値をエンコードしますが、ランダム コンピューティングはランダムなビット ストリームを継続的に処理できます。従来の半導体回路は、擬似乱数発生器とシフトレジスタを組み合わせて信号を生成するため、ハードウェアのコストが高く、エネルギー効率が低いという欠点がありました。研究者らは最近、熱によるスキルミオンの生成を理論的にも実験的にも発見し、スキルミオンベースのランダム コンピューティング デバイスの基礎を提供しました。

 

スキルミオン研究の応用における CIQTEK 量子ダイヤモンド原子間力顕微鏡

 

スキルミオンの研究は適切な観察技術がなければ実施できません。実空間でスキルミオンを観察するには次の技術が一般的に使用されます。

ローレンツ透過型電子顕微鏡 (LTEM)。その原理は、電子ビームを使用してサンプルを透過し、電子にかかるローレンツ力を記録することです。磁気力顕微鏡法 (MFM) は、磁気チップを使用して原子間力顕微鏡技術を使用してサンプル表面上の磁場力を記録します。X 線顕微鏡の原理は、X 線の吸収率がサンプルの磁場を反映することです。もう一つは、光磁気カー効果を利用して磁化分布を測定する光磁気カー顕微鏡法 (Moke) です。これらの観察ツールにはそれぞれ、LTEM の厳しいサ​​ンプル サイズ要件、モークの空間分解能の低さ、スキルミオンのイメージングに影響を与える可能性がある MFM チップの磁気特性などの制限があります。

 

近年、ダイヤモンドの特殊な欠陥構造である窒素空孔（NV）中心の存在が研究者の注目を集めています。NV軸の磁場成分の強度は、NV中心の電子スピンの量子状態をマイクロ波やレーザーで操作して読み取ることで得られます。

 

NV センター走査型プローブ顕微鏡 (SPM) は、ダイヤモンドの NV センターを AFM プローブチップに統合し、AFM スキャン技術と組み合わせてサンプル表面の磁区結果を取得し、非常に高い感度 (1 uT/ Hz1/2)、空間分解能 (10 nm)、および非侵襲性。NV SPM は、磁気渦ヘテロダイン磁場の走査など、対象となるさまざまな磁気構造の研究に使用され、磁気渦コアの極性とカイラリティーの決定を可能にします。磁壁の構造を測定し、変調下での磁壁のダイナミクスを観察します。

 

研究者らは、新しい材料を研究し、ゼロ磁場で室温で安定で、サイズが小さく、操作が簡単なスキルミオンを調製することを目指しています。ダイヤモンド NV センター SPM は、室温でのスキルミオンの高解像度定量的磁気イメージングに最適です。 

 

現在、NV SPM はスキルミオンの磁化構造  と関連する物理プロセスの研究に大きな成功を収めています。例えば：

1) スキルミオンの漂遊磁界分布に基づいて磁化構造を再構成する。

図 5: スキルミオンの磁化構造を解明するための NV 走査型プローブ顕微鏡 

（スケールバー：500nm）

2) スキルミオンの構造形態の研究。たとえば、Jacques のグループは、Pt/FM/Au/FM/Pt 強磁性多層膜のスキルミオン形態を研究しました。

 

図 6: スキルミオンの形態を研究するための NV 走査型プローブ顕微鏡

 

3) スキルミオンの固有の運動進化の観察。たとえば、Ania グループは、外部磁場の変化下での Ta/CoFeB/MgO 系におけるスキルミオンの発生を研究しました。

 

図 7: 外部磁場下でスキルミオンを研究するための NV 走査型プローブ顕微鏡

 

 

4) 電流駆動スキルミオンの運動過程の研究。

 

図 8: 電流駆動スキルミオンのダイナミクスの研究に使用される NV 走査型プローブ顕微鏡

 

CIQTEK NV 走査型プローブ顕微鏡 - 量子ダイヤモンド原子間力顕微鏡 (QDAFM) は、非侵襲的であるという独自の利点があり、広い温度範囲と広い磁場測定範囲をカバーできます。二次元物質磁気イメージング、ナノ電流イメージング、超電導渦磁気イメージング、細胞磁気イメージングなどに応用でき、量子科学、化学、材料科学、生物学、医療など幅広い分野で応用可能です。研究分野。

 

CIQTEK 量子ダイヤモンド原子間力顕微鏡

(常温バージョンと極低温バージョン)