Local bifurcation with spin-transfer torque in superparamagnetic tunnel junctions

超常磁性トンネル接合におけるスピン移行トルクに関わる局所分岐

舩津 拓也*; 金井 駿*; 家田 淳一   ; 深見 俊輔*; 大野 英男*

Funatsu, Takuya*; Kanai, Shun*; Ieda, Junichi; Fukami, Shunsuke*; Ohno, Hideo*

外部摂動によるエネルギー配置の変調は、アレニウスの法則によって記述されるさまざまな熱活性化現象を支配している。スピン移行トルク(STT)によるナノスケールの磁気トンネル接合の熱ゆらぎの利用は、非従来型計算機の可能性を示しているものの、ネール・アレニウス則に基づくその厳密な表現については未解明な点がある。特に、その中の熱的に活性化されるスイッチング速度の指数は、10年の長い保持時間を持つ従来の熱的に安定なナノ磁石では到達できなかった。本研究では、外部摂動に対して高い感度を持つ超常磁性トンネル接合を利用することで、STTによるネール・アレニウス則に迫り、強磁性共鳴のホモダイン検出,ナノ秒STTスイッチング,ランダム電信ノイズなどのいくつかの独立した測定を通じて指数を決定する。さらに、結果がさまざまな物理システムで観察された局所分岐の概念によって包括的に記述されていることを示す。調査結果は、統計物理学の有用なテスターとしての超常磁性トンネル接合の能力、および厳密な数学的基盤を備えた確率的コンピューティングハードウェアの高度なエンジニアリングの可能性を示している。

Modulation of the energy landscape by external perturbations governs various thermally-activated phenomena, described by the Arrhenius law. Thermal fluctuation of nanoscale magnetic tunnel junctions with spin-transfer torque (STT) shows promise for unconventional computing, whereas its rigorous representation, based on the Neel-Arrhenius law, has been controversial. In particular, the exponents for thermally-activated switching rate therein, have been inaccessible with conventional thermally-stable nanomagnets with decade-long retention time. Here we approach the Neel-Arrhenius law with STT utilising superparamagnetic tunnel junctions that have high sensitivity to external perturbations and determine the exponents through several independent measurements including homodyne-detected ferromagnetic resonance, nanosecond STT switching, and random telegraph noise. Furthermore, we show that the results are comprehensively described by a concept of local bifurcation observed in various physical systems. The findings demonstrate the capability of superparamagnetic tunnel junction as a useful tester for statistical physics as well as sophisticated engineering of probabilistic computing hardware with a rigorous mathematical foundation.