国立大学法人大阪大学工学研究生院（附属自旋电子学学术合作研究教育中心）助理教授后藤稔、若竹洋介（当时硕士二年级）、Ugwumsinachi Kalu Oji（当时本科三年级）、产业技术综合研究所自旋电子学研究中心三轮真司副教授（现就读于东京大学）、铃木义重教授、研究主任久保田仁、研究组组长药师寺明夫、研究中心副主任福岛明夫、研究中心主任汤浅真司来自格勒诺布尔阿尔卑斯大学的 Nikita Strelkov研究员，伯纳德·迪尼与一位教授合作，我们成功地利用热量高速、高效地控制了纳米尺寸磁体的磁极方向。
社会50要求通过人工智能等在需要时提供必要的信息，而为了实现这一点，需要大幅减少与信息存储和人工智能相关的能源消耗。本研究旨在通过使用纳米尺寸的磁体来解决上述问题，作为实现这一目标的一步，我们实现了利用热量对磁极的有效控制。结果，我们发现了纳米磁体放大高频电信号的新现象。该技术预计将有助于降低非易失性固态磁存储器 MRAM 和 AI 硬件的功耗。
这项研究是作为内阁府创新研究开发促进计划“实现无需充电即可长时间使用的终极生态IT设备”（计划负责人：佐桥雅史）和总务省“下一代人工智能技术的研究和开发，第二期：脑型运算处理技术的研究和开发”的一部分进行的。
这项研究成果发表在2019年1月4日出版的英国科学杂志《自然纳米技术''（发布于2018年11月26日下午4点（英国时间）发布的网络版）。
近年来物联网注1)是啊人工智能注2)的快速发展，迫切需要降低信息和通信设备的功耗。此外，创建即使在频繁发生的灾害期间也能长时间运行的低功耗信息和通信终端被认为是首要问题。作为解决这些问题的一种手段，自旋电子学注3)正在引起人们的注意。在自旋电子学领域，它是一种利用磁铁磁极的非易失性存储器磁性随机存取存储器 (磁阻随机存取存储器：MRAM）注4)的发展正在蓬勃发展。由于MRAM利用磁铁磁极的方向来存储信息，因此有望成为零待机功耗的低功耗存储器。此外，近年来已经开始研究，试图通过将这些技术应用于人工智能硬件来降低人工智能的功耗。存储此信息的元素磁隧道结 (磁隧道结：MTJ）注5)9961_10021自旋注入注6)写入信息的MRAM的开发已取得进展。然而，该方法存在高速写入时写入电流急剧增大的问题。磁各向异性注7)，可以用比自旋注入写入更低的能量写入信息。为了将该控制磁各向异性的方法投入实际应用，需要增大磁各向异性的变化幅度。到目前为止，已经通过材料探索改善了磁各向异性变化的报道，但尚未实现实际使用所需的性能。因此，除了寻找材料之外，还需要基于其他原理来探索磁各向异性的变化。
在这项研究中，我们使用两层绝缘体的 MTJ 结构，成功地获得了由于焦耳热而导致的磁各向异性的巨大变化。图 1）。在普通的 MTJ 结构中，金属磁体 (固定层注8)) |绝缘子|金属磁铁 (免费层注9)）具有三层结构，但在我们的结构中，金属磁体（自由层）的两侧都被绝缘体包围。结果，金属磁体（自由层）和绝缘体之间出现巨大的界面热阻，抑制热扩散，当电流流过MTJ时，焦耳热使金属磁体（自由层）的温度升高。当金属磁体（自由层）的温度升高时，磁各向异性发生变化，磁极的方向可以改变。当我们测量金属磁体（自由层）相对于施加到 MTJ 的电压的磁各向异性时，我们发现它表现出与电压的二次相关性 (图 2）。由于焦耳热的大小与电压的平方成正比，因此该结果表明焦耳热引起的温度升高改变了磁各向异性。该曲线的斜率对应于我们正在寻找的磁各向异性变化的幅度。发现由于此时获得的热引起的磁各向异性的最大变化为300fJ/Vm。此尺寸已报告已确认快速的电压导致的磁各向异性变化的最大值注10)相当，并且随着热扩散被进一步抑制，预计未来会变得更大。该方法即使在高速磁化反转时也不需要增加电压或电流，并且即使在高速磁化反转时也有可能成为节能技术。另外，由于热引起的磁各向异性的变化发生在整个金属磁体（自由层）中，因此与改变磁各向异性的传统方法相比，可以将该方法应用于具有更大膜厚的器件。大膜厚磁体是进行人工智能计算的必要技术，其应用范围预计将扩大到包括人工智能硬件。
我们还发现了一种新现象，即利用磁各向异性如此大的变化，使用 MTJ 来放大微波。图3（左图）对通有直流电流的 MTJ 施加微波。输入微波导致金属磁体（自由层）（红色箭头）的温度轻微振荡。结果，磁极的方向也会振荡。磁极方向的振动为隧道磁阻效应注11)由于电阻器的振动和直流电而产生电压振荡，并且该电压振荡产生微波。结果是反射的微波大于输入微波。微波放大常规研究注12)中，报道了使用振荡磁场的实验，但是获得的微波功率放大系数为0005，并且没有确认到放大现象。图3（右图）显示微波功率反射率对频率和外部磁场的依赖性。结果发现，在50 mT的外部磁场和04 GHz的微波频率下，获得了约16的微波功率反射率。该结果对应于与输入微波相比，微波功率被放大了大约 60%。这项研究是首次利用自旋电子学器件演示微波放大现象的实验，预计这项研究将导致超越半导体的新特性的发现，并将其应用于高灵敏度、高输出的新型微波器件。
未来，我们将利用焦耳热引起的磁各向异性的变化，利用磁性材料实现低功耗人工智能，并利用磁性材料提高检测元件、振荡元件等微波器件的性能。
这项研究成果发表在英国科学杂志《自然纳米技术''（发布于2018年11月26日下午4点（英国时间）发布的在线版）。
文章期刊名称：自然纳米技术
论文标题：“纳米级热自旋转换引起的磁隧道结中的微波放大”
“利用纳米级热自旋转换驱动的磁隧道结进行微波放大”
作者姓名：Minori Goto、Yosuke Wakatake、Ugwumsinachi Kalu Oji、Shinji Miwa、Nikita Strelkov、Bernard Dieny、Hitoshi Kubota、Kay Yakushiji、Akio Fukushima、Shinji Yuasa 和 Yoshishige Suzuki
DOI：101038/s41565-018-0306-9
此外，这一成果是通过以下商业和研究项目获得的。
●内阁办公室创新研发促进计划 (ImPACT)
“项目经理：佐桥正史
研发计划：实现无需充电即可长期使用的终极生态IT设备
研发主题：阐明电压效应的物理机制并建立高效率指南
研发经理：铃木义重
（大阪大学大学院基础工学研究科附属supintoronikus学术连携研究教育センター教授）
研究期间：2014财年-2018财年
在这个研发项目中，我们致力于研究电压对磁各向异性的影响，以实现电压驱动的MRAM。
■佐桥正志项目经理的评论■
ImPACT Sahashi 计划致力于开发电压驱动 MRAM [项目负责人：Shinji Yuasa（日本国立先进工业技术研究所）]，旨在实现终极生态 IT 设备。大阪大学和米乐m6官方网站开发的“利用滞留热量对存储层磁化（磁体的磁极）进行高速高效的磁极控制”将有助于提高电压驱动MRAM的性能。这项研究提供了新的认识，即电压效应决定了电压引起的磁各向异性变化的幅度，这在电压驱动 MRAM 的开发中最为重要，可以利用存储层中捕获的热量来增强电压效应。此外，这项研究成果有望对降低AI硬件功耗、提高微波振荡元件效率产生连锁反应。未来，我希望研究人员致力于利用磁性材料实现低功耗人工智能，并提高使用磁性材料的检测元件和振荡元件等微波元件的性能。