Research on spin wave characteristics in oxide spin cluster glass toward memory device recording history of applied external field

• Project/Area Number: 16K21001
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Thin film/Surface and interfacial physical properties; Electronic materials/Electric materials
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Yamahara Hiroyasu 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (30725271)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2018: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2017: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2016: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: スピングラス / クラスターグラス / スピン波 / 希土類鉄ガーネット / メモリ効果 / スピンクラスターグラス / 磁気異方性 / スピンエレクトロニクス

Outline of Final Research Achievements

Garnet-structured spin cluster glass Lu3Fe5-2xCoxSixO12 thin films were fabricated toward memory device recording history of applied external field such as magnetic field, temperature, and light irradiation. Lu3Fe5O12 is a ferrimagnet with an exceptionally low Gilbert damping constant. The substitution of anisotropic Co2+ and nonmagnetic Si4+ induces randomness and frustration resulting in spin glass behaviours below spin freezing temperature at around 200 K. The film demonstrate memory effect that record previous thermal history; this reveals the presence of metastable magnetic state. Lu3Fe4.8Co0.1Si0.1O12 (x=0.1) film shows spin glass behaviours and spin wave generation that reflects spin freezing dynamics.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究ではスピントロニクスの中心的研究対象である強磁性体・反強磁性体のような秩序系ではなく、スピングラスという無秩序系を対象としている点に学術的特色がある。その複雑なポテンシャル構造（多谷構造）において特徴的な磁化応答は先行研究によって証明されており、スピン波との相関に発展させることは意義がある。スピングラスのポテンシャルはニューラルネットワークと同じモデル式で表現され、脳型記憶素子実現に向けた足掛かりとして社会的意義がある。

Research Products

• [Int'l Joint Research] パリ第6大学(フランス)
• [Int'l Joint Research] Universite de Paris-Sud(France)
• [Journal Article] High temperature spin cluster glass behavior in Co- and Si-substituted garnet ferrite thin films (2020)
  • Author(s): Hiroyasu Yamahara, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata
  • Journal Title: Journal of Magnetism and Magnetic Materials Volume: 501 Pages: 1664371-9
  • DOI: 10.1016/j.jmmm.2020.166437
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Spin wave modulation by topographical perturbation in Y3Fe5O12 thin films (2020)
  • Author(s): Md Shamim Sarker, Hiroyasu Yamahara, and Hitoshi Tabata
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 10 Issue: 1 Pages: 15015-15015
  • DOI: 10.1063/1.5130186
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Flexoelectricity and magnetism in strain-gradient rare-earth iron garnet thin films (2019)
  • Author(s): Hiroyasu Yamahara, Sarker Md Shamim, Munetoshi Seki, Yasuo Cho, Hitoshi Tabata
  • Organizer: 26th International Workshop on Oxide Electronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 傾斜格子歪み希土類鉄ガーネットにおけるフレクソ分極とフェリ磁性の共存 (2019)
  • Author(s): 山原 弘靖、S. Md Shamim 、関 宗俊 、 長 康雄 、 田畑 仁
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Coexistence of Flexoelectric Polarization and Magnetization in Strain-gradient Rare-earth Iron Garnet Thin Films for Spin Wave Devices (2019)
  • Author(s): H. Yamahara, S. Nakamura, Md. S. Sarker, M. Seki, H. Tabata
  • Organizer: International Symposium on Hybrid Quantum Systems 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] テラヘルツ波分光計測による傾斜格子歪み希土類鉄ガーネット薄膜の誘電分極評価 (2019)
  • Author(s): 山原 弘靖, 桑野 資基, 川山 巌, 田畑 仁
  • Organizer: 光・量子ビーム科学合同シンポジウム2019
• [Presentation] Co,Si置換Lu3Fe5O12スピンクラスターグラス薄膜における低温スローダイナミクスとスピン波励起寿命 (2018)
  • Author(s): 山原 弘靖、S. Md Shamim、鈴木 雄大、関宗俊、 田畑 仁
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Co,Si置換Lu3Fe5O12クラスターグラス薄膜におけるエージング・メモリ効果 (2018)
  • Author(s): 山原 弘靖、Sarker Md Shamim、 関宗俊、 田畑 仁
  • Organizer: 強的秩序とその操作に関わる研究グループ 第8回 研究会
• [Presentation] Magnetic and Dielectric Properties ofStrained Garnet Ferrite Thin Films (2018)
  • Author(s): Hiroyasu Yamahara, Akihiro Katougi, Ryota Kikuchi, Hitoshi Tabata
  • Organizer: International Workshop on Oxide Electronics 25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 歪み希土類鉄ガーネット薄膜における誘電特性の膜厚依存性 (2017)
  • Author(s): ○山原 弘靖、加藤木 章浩、菊池 亮太、佐藤 英斗、 関 宗俊、田畑 仁
  • Organizer: 第78回 応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Co,Si置換Lu3Fe5O12クラスターグラス薄膜における熱履歴記憶 (2017)
  • Author(s): 山原 弘靖、三橋 啓多、関 宗俊、田畑 仁
  • Organizer: 強的秩序とその操作に関わる研究グループ 第4回 研究会
  • Place of Presentation: 東京大学 本郷キャンパス
• [Presentation] Co,Si置換Lu3Fe5O12クラスターグラス薄膜における熱履歴記憶 (2017)
  • Author(s): 山原 弘靖、三橋 啓多、関 宗俊、田畑 仁
  • Organizer: 第64回 応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
• [Presentation] Magnetic Aging and Memory Effect on Anisotropic Co and Nonmagnetic Si-substituted Lu3Fe5O12 Cluster Spin Glass Thin Films (2016)
  • Author(s): Hiroyasu Yamahara, Tetsuya Murata, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata
  • Organizer: International Workshop on Oxide Electronics
  • Place of Presentation: Nanjing, China
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 希土類鉄ガーネット薄膜ヘテロ構造における磁気特性制御 (2016)
  • Author(s): 山原 弘靖、三橋 啓多、村田 哲也、関 宗俊、田畑 仁
  • Organizer: 第77回 応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 新潟県新潟市 朱鷺メッセ