産総研、強磁性ナノコンタクト素子によるミリ波発振を解析

強磁性ナノコンタクト素子によるミリ波発振
−ナノスケールの電流制御型発振素子を理論提案−


【ポイント】
　・産総研開発のシミュレーターを用いて強磁性ナノコンタクトの理論解析を実施
　・直流電流の値を変化させて５〜１４０ＧＨｚの範囲で発振周波数を制御可能
　・次世代無線通信技術やセンサー技術に用いられるマイクロ波、ミリ波の発信素子の実現に期待



＜概要＞
　独立行政法人　産業技術総合研究所【理事長　野間口　有】（以下「産総研」という）ナノスピントロニクス研究センター【研究センター長　湯浅　新治】理論チーム　今村　裕志　研究チーム長、荒井　礼子　産総研特別研究員は、強磁性ナノコンタクト素子に直流電流を流すことにより５〜１４０ギガヘルツ（ＧＨｚ）の発振が可能であることを理論的に示した。

　従来の巨大磁気抵抗素子や強磁性トンネル接合素子を利用した発振では発振周波数が低く、ミリ波（３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚ）の発振が必要なレーダーなどへの応用は難しいとされていた。しかし、強磁性ナノコンタクト素子に電流を流すことで誘起されるスピンの歳差運動を産総研が開発したシミュレーターを用いて解析したところ、強磁性ナノコンタクト素子に流れる電流を変化させるとマイクロ波からミリ波の領域で電流制御型発振素子として強磁性ナノコンタクト素子が振る舞うことが予測された。このような強磁性ナノコンタクト素子が実現できれば、次世代の無線通信技術やセンサー技術への応用が期待できる。

　なお、この技術の詳細は、米国の科学誌（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）に近くオンライン掲載される。

　〔強磁性ナノコンタクト素子の模式図と、高周波領域の発振挙動〕

　　※添付の関連資料「添付資料」を参照


＜開発の社会的背景＞
　近年の微細加工技術の急激な進歩によって、強磁性体を用いたナノメートルサイズの素子の作製が可能になった。現在では、電子のもつ電気（電荷）としての性質とともに磁石としての性質であるスピンを積極的に利用した高度な機能をもつスピントロニクス素子が開発・実用化されている。スピントロニクス素子の代表的な例として、巨大磁気抵抗素子や、強磁性トンネル接合素子などがある。これらの素子は、ハードディスクの読み出しヘッドや磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）の不揮発性メモリーセルなどに利用されており、大容量かつ高速な情報記録技術の基盤となっている。

　情報記録技術分野での応用のほかにも、磁性体中のスピンがマイクロ波に対応する周波数で振動する歳差運動を利用した発振・受信素子などの開発も行われている。発振・受信素子がナノメートルサイズになると従来より高空間分解能、高感度な性能が見込まれるため、高周波技術分野への応用や、微細素子同士の無線通信への応用が期待されている。しかし、巨大磁気抵抗素子や強磁性トンネル接合素子による発振は、発振周波数が十数ＧＨｚ程度と低く、ミリ波の発振周波数が必要なセンサーやレーダーへの応用は難しいと考えられていた。また、無線通信技術へ応用するには、制御可能な周波数範囲が狭いことが課題となっていた。


＜研究の経緯＞
　産総研では高性能強磁性トンネル接合の高周波技術応用を目指して研究開発を行い、高性能強磁性トンネル接合が高周波の信号を復調するダイオードとして働くことを発見し、この効果を用いてスピントロニクス素子の動作を精密に評価する方法を開発した（２００５年１１月１７日（http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2005/pr20051117/pr20051117.html）、２００７年１１月２６日産総研プレス発表（http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2007/pr20071126/pr20071126.html））。また、巨大磁気抵抗素子の１００倍以上の発振出力（０．１μＷ以上）を実現するなどの成果をあげてきた（２００８年８月２８日産総研プレス発表（http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2008/pr20080828_3/pr20080828_3.html））。２００９年以降は、国立大学法人　東北大学　佐橋　政司　教授の研究グループと共同で強磁性ナノコンタクトを用いた超小型マイクロ波発振素子の開発に取り組み、今回の電流制御型発振素子の理論提案に至った。

　なお、本研究開発の一部は、独立行政法人　新エネルギー・産業技術総合開発機構の委託事業、省エネルギー革新技術開発事業／挑戦研究「チップ間信号伝送用マイクロ波発振素子の開発」（平成２１〜２３年度）により実施し、佐橋　教授（研究開発責任者）の研究グループと協力して行った。



※以下、リリースの詳細は添付の関連資料を参照