2025年 | プレスリリース?研究成果
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 ～
【本学研究者情報】
〇電気通信研究所 教授 深見俊輔
研究室ウェブサイト
【発表のポイント】
- AIの普及に伴い省エネハードウェア技術の需要が高まっています。
- マクロには磁力を持たないが電気的には磁石と似た性質を示す「ノンコリニア反強磁性体」（注1）と磁石の材料である強磁性体の積層構造での「双方向制御」を実現し、これを利用した記憶と演算の機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。
- 多大な電力消費が課題の、AI処理で多く用いる乗算の結果を順次加算する積和演算を、高効率に処理する省エネAIチップなどへの展開が期待されます。
【概要】
AI技術の普及に伴い、AI計算に適したハードウェア（AIチップ（注2））の重要性が高まっています。記憶と演算の機能を統合した素子や、人間の脳の構成要素を模倣した素子はそのための有望技術です。
東北大学電気通信研究所のユン?ジュヨン研究員と深見俊輔教授、同大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR）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「ノンコリニア反強磁性体」に特有の性質を利用した新機能スピントロニクス（注3）素子を開発しました。この素子はノンコリニア反強磁性体と強磁性体の積層構造からなり、ある電流領域では前者で後者を、別の電流領域では後者で前者を制御できる（「双方向制御」が可能）という新規性を有しています。研究チームはこの特性を利用し、入力信号で書き込まれるアナログ情報の量や符号をユーザーが事前にプログラムできる、従来にない素子機能を原理実証しました。これはAI処理で頻繁に行われ、多大な電力が消費されている積和演算などに応用できます。
今回示された「双方向制御」は、近年解明が進んでいるノンコリニア反強磁性体の特性を巧みに利用したものであり、またAI技術の省エネ化の可能性を提供するものです。今後の研究開発による素子性能の向上などにより、計算性能と省エネ性を兼ね備えた次世代コンピューティング技術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Mn3Snで構成される。電流範囲①ではノンコリニア反強磁性層が強磁性層を制御し、電流範囲②では強磁性層がノンコリニア反強磁性層を制御する。
【用語解説】
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
AI計算に特化して設計された半導体チップ。AI技術の普及とそれに伴う情報技術の消費電力の増大が深刻化する中、省エネAIチップ開発の重要性が高まっている。NVIDIAのジェンスン?ファンCEOは世界最大のテクノロジー見本市「CES2025」でAIチップを基盤とするシステムの構築が今後の情報社会の持続的な発展の鍵になると強調した。
注3. スピントロニクス
電子の持つ電気的性質(電荷)と磁気的性質(スピン)を同時に利用することで発現する物理現象を明らかにし、工学的に利用することを目指す学術分野。磁性体のスピンの向き（上?下）で情報を検出あるいは記録する、磁気センサーや磁気抵抗ランダムアクセスメモリー(MRAM)などの応用が代表的。
【論文情報】
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*
*責任著者：東北大学材料科学高等研究所?准教授?ハン?ジャーハオ、同大学電気通信研究所?教授?深見俊輔
掲載誌：Nature Communications
DOI：10.1038/s41467-025-56157-6
問い合わせ先
（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）東北大学大学院工学研究科電子工学専攻
（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)
（報道に関すること）
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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