創発量子スピントロニクス研究ユニット

主宰者

主宰者名

横内智行 Tomoyuki Yokouchi

役職

ユニットリーダー

略歴

2018	東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻博士課程修了
2018	理化学研究所創発物性科学研究センター基礎科学特別研究員
2020	東京大学大学院総合文化研究科広域科学専攻助教
2023	理化学研究所創発物性科学研究センター統合物性科学研究プログラム創発量子スピントロニクス研究ユニットユニットリーダー（現職）

研究室概要

当ユニットでは、電子のもつ電荷とスピンの両方の性質の利用を目指すスピントロニクスにおいて、量子性や創発性に関連する現象を理解し、その学理を構築することを目指す。具体的には、微細加工技術を駆使することで、様々な磁性体において創発する新しい量子スピントロニクス機能や量子伝導機能の開拓と機構解明に取り組む。さらに、トポロジカル磁気構造の古典及び量子ダイナミクスに着目することで、物理リザバー計算をはじめとする、創発計算技術の学理構築にも取り組む。

研究分野

物理学／工学／材料科学／コンピューター科学／学際研究

キーワード

スピントロニクス
人工知能
磁気スキルミオン
スピンダイナミクス
スピンホール効果

研究紹介

スキルミオンを使った物理リザバー計算

近年、脳の情報処理方法を参考にした機械学習である人工知能(AI)が急速に発展し、社会や産業で革新的な技術やサービスが登場している。一方、AIを従来型の演算素子で実行する際の大きな消費電力への対策は喫緊の課題となっている。そこで、より高性能で省エネルギーな人工知能の実現を目指して、素子レベルで脳のふるまいを参考にする「脳型素子」の研究が重要になっている。

我々は、スキルミオンと呼ばれるトポロジカルな磁気構造を、脳型計算の一種である「物理リザバー計算」に用いることができることを明らかにした。具体的には、まず磁場誘起のスキルミオンダイナミクスが物理リザバー計算に要求される性質を満たしていることを明らかにした。そして、スキルミオン物理リザバー素子を作成し、いくつかのベンチマークテストを実施することで、スキルミオン形成が物理リザバー計算の性能向上に重要である可能性を明らかにした。今回の発見により、スキルミオンを用いることで、脳型素子の性能向上や省エネルギー化につながる可能性が明らかになり、脳型素子研究に新たな展開をもたらすことが期待される。

スキルミオン物理リザバーのベンチマークテストの概念図。(a)入力信号の波形。ベンチマークテストとして、サイン波と矩形波の組み合わせを入力し、入力がサイン波なら１を矩形波なら-1を出力する問題を実行した。(b)スキルミオン物理リザバー素子の概念図。スキルミオン物理リザバー素子は、十字型の素子を並列で接続することで構築した。(c)それぞれの十字型の素子からの出力波形。(d)スキルミオン物理リザバー計算機からの最終出力。赤と青の横線が正解の出力を示す。

メンバー一覧

横内智行 Tomoyuki Yokouchi	ユニットリーダー	tomoyuki.yokouchi[at]riken.jp

主要論文

T. Yokouchi, Y. Ikeda, T. Morimoto, and Y. Shiomi,

Giant Magnetochiral Anisotropy in Weyl-semimetal WTe₂ Induced by Diverging Berry Curvature

Phys. Rev. Lett. 130, 136301 (2023)
T. Yokouchi, S. Sugimoto, B. Rana, S. Seki, N. Ogawa, Y. Shiomi, S. Kasai, and Y. Otani

Pattern recognition with neuromorphic computing using magnetic field-induced dynamics of skyrmions

Sci. Adv. 8, eabq5652 (2022)
T. Yokouchi, F. Kagawa, M. Hirschberger, Y. Otani, N. Nagaosa, and Y. Tokura

Emergent electromagnetic induction in a helical-spin magnet

Nature 586, 232 (2020)
T. Yokouchi, S. Sugimoto, B. Rana, S. Seki, N. Ogawa, S. Kasai, and Y. Otani

Creation of magnetic skyrmions by surface acoustic waves

Nat. Nanotechnol. 15, 361 (2020)
T. Yokouchi, S. Hoshino, N. Kanazawa, A. Kikkawa, D. Morikawa, K. Shibata, T.-h. Arima, Y. Taguchi, F. Kagawa, N. Nagaosa, and Y. Tokura

Current-induced dynamics of skyrmion strings

Sci. Adv. 4, aat1115 (2018)
T. Yokouchi, N. Kanazawa, A. Kikkawa, D. Morikawa, K. Shibata, T. Arima, Y. Taguchi, F. Kagawa, and Y. Tokura

Electrical magnetochiral effect induced by chiral spin fluctuations

Nat. Commun. 8, 866 (2017)

主宰者