特徴的なスピン構造とスピン軌道相互作用を持った酸化物薄膜の作製と新奇量子相の探索

• Project/Area Number: 14J10112
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Crystal engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 藤田 貴啓 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥3,200,000 (Direct Cost: ¥3,200,000); Fiscal Year 2016: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2014: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 薄膜・ヘテロ界面 / トポロジカル物質 / パイロクロア型酸化物 / イリジウム / 反強磁性体 / 新奇電子相 / パイロクロア方酸化物 / 磁気輸送特性 / 薄膜作製

Outline of Annual Research Achievements

希土類元素(Ln)とIrを含むパイロクロア型酸化物Ln2Ir2O7は、Ir由来の強いスピン軌道相互作用と、結晶構造の幾何学的制約により、「all-in-all-out」と呼ばれる反強磁性秩序を持つ。この磁気秩序による時間反転対称性の破れから、Weyl半金属やドメイン壁状態といったトポロジカルな電子状態の出現が予言されており、これらはall-in-all-out秩序内の2種類の磁気ドメイン構造と結びついている。パイロクロア型の結晶(A2B2O7)では一般に、f-d相互作用によってカチオンが磁気的に結びついており、特にAサイトカチオンの磁気異方性が系の磁気応答に強く影響する。そこで、種々の磁気異方性を持ったLnイオンから成るLn2Ir2O7を作製し、それらの磁気輸送特性を比較することで、外部磁場による磁気ドメイン制御方法を探索した。
まず、<111>方向に一軸異方性を持つTbイオンに着目した。磁気ドメイン反転に付随して現れる特徴的なヒステリシス構造が磁気抵抗に観測された。また、先行研究で報告されたNdとはf-d相互作用の符号が反対であることを示唆する結果を得た。
次に、異方性のないGdイオンに着目し、磁気異方性の効果を検証した。磁気抵抗はヒステリシスを持たず、<111>方向の磁気異方性が外部磁場によるドメイン反転に本質的であることを明らかにした。一方でGdでは、2 K、9 Tの磁場下で90%を超える大きな負性磁気抵抗が観測された。非磁性のEuイオンを段階的にドープすると、この負性磁気抵抗が抑制され、Gdイオンの形成する分子場がIrモーメントに強い実効磁場を与えていることを明らかにした。
これらの結果は、Lnイオンの選択によってf-d相互作用やドメイン反転に要する磁場の強さを制御可能であることを示しており、トポロジカルな磁壁状態を用いた次世代メモリの構築等に重要な知見である。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] All-in-all-out magnetic domain size in pyrochlore iridate thin films as probed by local magnetotransport (2016)
  • Author(s): T. C. Fujita, M. Uchida, Y. Kozuka, W. Sano, A. Tsukazaki, T. Arima, M. Kawasaki
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 108 Issue: 2 Pages: 022402-022402
  • DOI: 10.1063/1.4939742
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] All-in-all-out magnetic domain wall conduction in a pyrochlore iridate heterointerface (2016)
  • Author(s): T. C. Fujita, M. Uchida, Y. Kozuka, W. Sano, A. Tsukazaki, T. Arima, M. Kawasaki
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 93 Issue: 6 Pages: 064419-064419
  • DOI: 10.1103/physrevb.93.064419
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Odd-parity magnetoresistance in pyrochlore iridate thin films with broken time-reversal symmetry (2015)
  • Author(s): Takahiro C. Fujita, Yusuke Kozuka, Masaki Uchida, Atsushi Tsukazaki, Taka-hisa Arima, and Masashi Kawasaki
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 5 Issue: 1 Pages: 9711-9711
  • DOI: 10.1038/srep09711
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] パイロクロア型イリジウム酸化物ヘテロ界面における磁気ドメイン壁伝導 (2016)
  • Author(s): 藤田 貴啓，打田 正輝，小塚 裕介，佐野航，小川翔平，塚崎 敦，有馬 孝尚，川﨑 雅司
  • Organizer: 第71回日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学(宮城県仙台市)
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] パイロクロア型Ir酸化物薄膜・ヘテロ界面における磁気輸送特性 (2016)
  • Author(s): 藤田 貴啓，打田 正輝，小塚 裕介，佐野航，小川翔平，塚崎 敦，有馬 孝尚，川﨑 雅司
  • Organizer: 第7回低温センター研究交流会
  • Place of Presentation: 東京大学(東京都文京区)
  • Year and Date: 2016-02-23
• [Presentation] All-In-All-Out Magnetic Domain Transport in Pyrochlore Iridate Films and Heterostructures (2015)
  • Author(s): T. C. Fujita, M. Uchida, W. Sano, S. Ogawa, Y. Kozuka, A. Tsukazaki, T. Arima, and M. Kawasaki
  • Organizer: CEMS Topical Meeting on Oxide Interfaces 2015
  • Place of Presentation: 理化学研究所(埼玉県和光市)
  • Year and Date: 2015-11-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] All-in-all-out magnetic domain size in pyrochlore iridate thin films revealed by local transport measurements (2015)
  • Author(s): T. C. Fujita, M. Uchida, Y. Kozuka, S. Ogawa, A. Tsukazaki, T. Arima, and M. Kawasaki
  • Organizer: Workshop on Oxide Electronics 22
  • Place of Presentation: Paris, France
  • Year and Date: 2015-10-07
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] パイロクロア型Ir酸化物薄膜の磁気ドメイン形成における格子歪の効果 (2015)
  • Author(s): 藤田 貴啓，小川 翔平，打田 正輝，小塚 裕介，川﨑 雅司
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場(愛知県名古屋市)
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] パイロクロア型Ir酸化物の磁気ドメイン境界における磁気輸送現象 (2015)
  • Author(s): 藤田 貴啓, 佐野 航, 打田 正輝, 小塚 裕介, 塚崎 敦, 有馬 孝尚, 川﨑 雅司
  • Organizer: 2015年春季第62回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 東海大学湘南キャンパス、神奈川県
  • Year and Date: 2015-03-11 – 2015-03-14
  • Invited
• [Presentation] Odd-parity magnetoresistance in pyrochlore iridate thin films with broken time-reversal symmetry (2015)
  • Author(s): Takahiro C. Fujita, Yusuke Kozuka, Masaki Uchida, Atsushi Tsukazaki, Taka-hisa Arima, and Masashi Kawasaki
  • Organizer: APS March Meeting 2015
  • Place of Presentation: San Antonio, Texas, United States
  • Year and Date: 2015-03-02 – 2015-03-06
• [Presentation] Detecting the Magnetic Domains of All-In-All-Out Spin Structure via Magnetotransport in Pyrochlore Iridate Thin Films (2014)
  • Author(s): Takahiro C. Fujita, Yusuke Kozuka, Masaki Uchida, Atsushi Tsukazaki, Taka-hisa Arima, and Masashi Kawasaki
  • Organizer: 21st International Workshop on Oxide Electronic
  • Place of Presentation: The Sagamore Resort on Lake George, Bolton Landing, New York, United States
  • Year and Date: 2014-09-28 – 2014-10-01
• [Presentation] パイロクロア型イリジウム酸化物ヘテロ接合における磁気ドメイン境界の制御と界面伝導の観測 (2014)
  • Author(s): 藤田 貴啓, 佐野 航, 打田 正輝, 小塚 裕介, 塚崎 敦, 有馬 孝尚, 川﨑 雅司
  • Organizer: 2014年 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学札幌キャンパス、北海道
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20