室温で動作するマルチフェロイック物質の開発!コンピュータの飛躍的な性能向上につながるか?!

強磁性、強誘電性、強弾性。普通の物質はこれらの中で一つの性質をもつと、他の性質を示しません。最先端の研究では、これらの二つ以上の性質をもつ物質を作り出してはいますが、その作製も利用もなかなか難しいようです。このような物質をマルチフェロイック物質と呼び、コンピュータの性能向上が期待されていますが、いかに現実の状況で利用出来るようにするか、それが現在の課題のようです。

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Multiferroics:マルチフェロイクス

マルチフェロイック物質とは強磁性、強誘電性、強弾性のうち、複数の性質をもつ物質のことを指す言葉だ。

その分野のことをマルチフェロイクスと呼ぶ。

近年、この分野の研究は次世代コンピュータを作り出す分野として注目を浴びている。

しかしながら、そのような複数の性質はそれぞれ排他的であるため、マルチフェロイック材料を作り出すのは困難である。

また作り出すだけが問題ではない。

このような複数の性質をもつ物質を作製したとしても、複数の性質が現れるのは極低温域だけである。

室温で動作するマルチフェロイック物質を作り出すこと、それが重要な課題なのである。

二つの物質を組み合わせる

コーネル大学の研究チームは、室温でマルチフェロイックな性質を示す物質の開発を行っている。

研究チームは2年前にマルチフェロイック物質の一つであるビスマスフェライト(BiFeO3)は室温で周囲に電場をかけることで、その磁性をコントロールできることを報告した。

その後研究チームは物理学の研究チームと共同研究を行うことにより、もともとマルチフェロイックな性質を示さない二つの物質を組み合わせることで、新しい室温でマルチフェロイックな性質を示す物質を作りだした。

LuFeO3とLuFe2O4

研究チームは、LuFeO3とLuFe2O4という二つの物質を用いた。

LuFeO3は強誘電性の物質だが、強磁性ではない。

一方、LuFe2O4は強磁性の物質である。

研究チームはこの二つの物質を原子レベルで交互に層状に組み合わせることにより、新しい物質を作りだした。

この新しい物質はマルチフェロイックな性能を示しただけでなく、それぞれ単体で用いたときよりも良い性能を示した。

さらにはLuFeO3とLuFe2O4の層を10回繰り返したのち、最後にLuFe2O4を一層追加することで、性質が大きく変化することを明らかとした。

MBE:Molecular-beam epitaxy

研究チームはこの特殊な構造を作るために、molecular-beam epitaxyという研究チーム特有の方法を用いた。

彼らはこの方法を、原子状の物質をスプレーしてペインティングすると比喩している。

この手法により、原子レベルで精密に、そして複数の物質を交互に層状に重ねることができる。

研究チームは今回、室温近くでマルチフェロイックな性質をもつ材料を開発し、強磁性の性質を電場をかけることでコントロールできることを示した。

この強磁性の性質のみコントロールできることは、製品を作る際に役立つのだという。

例えば電界をかけることで電気の分極化をコントロールでき、コンピュータのメモリの高性能化につながる。

この新しい物質は今後、我々のコンピュータを進化させることになるのかもしれない。

現在の研究は、物質を原子レベルで扱う、という領域まで達してきています。ですがそのレベルになるとこれまで行ってきた作製方法だったり、性質だったりががらっと変わってしまうことも少なくありません。そのため多くの研究者が新しい手法を開発し、原子レベルで物質を積み上げ、新しい材料やデバイスを作り出そうとしています。そのような研究の結果、かなり原子レベルでの操作ができるようになってきましたが、もし人間が完全に原子レベルで物質を扱えるようになったら、世の中の電子デバイスはどれくらいの性能向上するのか、そしてさらにその先の研究はどうなるのか、いろいろ楽しみですね!

元記事はこちら(Engineers create room-temperature multiferroic material)

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