東北大學電氣通訊研究所的研究生舩津拓也（從事該研究時）、金井駿助教、深見俊輔教授、大野英男教授（現校長）、日本核能研究開發機構的家田淳一研究主任，全球首次成功完成了奈米磁鐵的「磁能地形」實驗性測量。
圖1 本次研究所加工的超順磁磁性隧道結器件示意圖。右下圖爲掃描電子顯微鏡影像（供圖：東北大學電氣通訊研究所）
東北大學在2019年開發了作爲僞量子位元發揮功能的磁性隧道結器件，併成功實際驗證了因數分解的原理。僞量子位元的磁性隧道結器件的主要工作原理是根據輸入穩定性產生變化，這種變化被統括性記錄在「能量地形」中。然而，雖然能量地形是將器件組裝到實際電路並進行控制時的最重要特性，但其穩定性與磁特性及輸入有着非常複雜的關係，因此過去一直認爲使用實際器件實驗性地決定能量地形是困難的。
研究團隊製作了直徑33nm的超順磁磁性隧道結，並利用它結合調查能量極小消失的磁場及電流的實驗方法、調查施加磁場及電流時能壘的實驗方法，成功地在實驗中確定了反轉指數（區分不同能壘器件的變量）。其後，研究團隊將這些量測方法首次組合到一個器件上，詳細闡明瞭磁能的磁化角度依賴性隨磁場及電流變化的情況。
特別是透過在平面圖表中導入磁場及電流軸後，研究團隊測繪出了以等高線表示能量的能量地形，並明確了反轉指數。研究團隊發現，用實際器件測量的反轉指數，改變對器件施加的電壓會使能壘發生變化，反轉指數會在2～1.5之間變化。由此，可以準確預測出磁能的磁場及電流依賴性，成功地實測出了磁能地形。
該成果，除了可以加速使用了超順磁磁性隧道結器件的機率論電腦的研究開發之外，透過決定奈米磁鐵一般成立指數，在非易失性磁隧道結的磁阻式隨機存取主記憶體（MRAM）的特性評價方面，也有望使用到這一成果。
金井助教表示「在被實際使用的幾十奈米大小的器件中，與理論預測相比，狀態不穩定性對於外部輸入更加敏感。將這一發現應用到實際器件的控制中後，透過僞量子電腦，可以實施高精度、高速計算，並能成功測量奈米磁鐵的磁能地形，爲進行大規模問題最適化等計算開闢了道路。現在我們使用了較小規模的僞量子位元調查其計算性能，今後計劃對大規模的僞量子位元性能進行調查」。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Nature Communications
論文：Local bifurcation with spin-transfer torque in superparamagnetic tunnel junctions
DOI：10.1038/s41467-022-31788-1
