Control of correlated oxide interfaces by utilizing spin-orbit interaction

• Project/Area Number: 17H02791
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Thin film/Surface and interfacial physical properties
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: Jobu Matsuno 大阪大学, 理学研究科, 教授 (00443028)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000); Fiscal Year 2020: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2019: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2018: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2017: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000)
• Keywords: スピン・軌道相互作用 / 5d電子系 / スピントロニクス / イリジウム酸化物 / パルスレーザー堆積法

Outline of Final Research Achievements

At interfaces consisting of Ir oxides and ferromagnet, we experimentally demonstrate that both anomalous Hall effect and topological Hall effect can be controlled by electric field and that high spin-orbit torque efficiency stemming from spin Hall effect of Ir oxides is comparable to that of Pt or Ta. We clarified that strong spin-orbit coupling of 5d electrons in the Ir oxides plays a crucial role in the magnetotransport and spin-current transport properties of the interfaces including the Ir oxides.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

イリジウム酸化物を含む5d電子系の持つ興味深い基礎物性は広く研究の対象となっている一方で、その電子材料としてのポテンシャルは注目されてこなかった。本研究で明らかとなった異常ホール効果、トポロジカルホール効果、スピンホール効果などの輸送特性は5d電子が持つ強いスピン-軌道相互作用の学理が持つ重要性を示すとともに、磁化、スキルミオン、スピン流などを用いたデバイス応用の可能性を示しており、新電子材料としての5d電子系を提示している。

Research Products

• [Journal Article] Spin-orbit torque generation in NiFe/IrO2 bilayers (2020)
  • Author(s): Ueda Kohei、Moriuchi Naoki、Fukushima Kenta、Kida Takanori、Hagiwara Masayuki、Matsuno Jobu
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 102 Issue: 13 Pages: 134432-134432
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.134432
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 強いスピン-軌道相互作用を持つ酸化物界面 (2019)
  • Author(s): 松野 丈夫
  • Journal Title: 生産と技術 Volume: 71 Pages: 53-58
  • NAID: 40021772457
• [Journal Article] Electric-field control of anomalous and topological Hall effects in oxide bilayer thin films (2018)
  • Author(s): Y. Ohuchi, J. Matsuno, N. Ogawa, Y. Kozuka, M. Uchida, Y. Tokura, and M. Kawasaki
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 9 Issue: 1 Pages: 213-213
  • DOI: 10.1038/s41467-017-02629-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] All-in-all-out magnetic domain inversion in Tb2Ir2O7 with molecular fields antiparallel to external fields (2018)
  • Author(s): Fujita T. C.、Kozuka Y.、Matsuno J.、Uchida M.、Tsukazaki A.、Arima T.、Kawasaki M.
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 2 Issue: 1
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.2.011402
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Visualizing ferroic domains in an all-in?all-out antiferromagnet thin film (2017)
  • Author(s): Kozuka Y.、Fujita T. C.、Uchida M.、Nojima T.、Tsukazaki A.、Matsuno J.、Arima T.、Kawasaki M.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 96 Issue: 22
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.224417
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 5d電子系酸化物界面におけるスピン依存伝導 (2017)
  • Author(s): 松野 丈夫
  • Journal Title: 表面科学 Volume: 38 Pages: 614-619
  • NAID: 130006262567
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] スピンの実空間トポロジーが生む新たな輸送現象：トポロジカルホール効果 (2017)
  • Author(s): 松野 丈夫，川﨑 雅司
  • Journal Title: パリティ Volume: 33 Pages: 32-33
• [Presentation] Ni81Fe19/IrO2界面から誘起されるスピン軌道トルク (2021)
  • Author(s): 上田浩平, 森内直輝, 福島健太, 木田 孝則, 萩原 政幸, 松野丈夫
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] SrIrO3/CoFeB界面における電流-スピン流変換効率 (2021)
  • Author(s): 堀惣介, 上田浩平, 松野丈夫
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 強いスピン-軌道相互作用を持つIrO2のスピン軌道トルク (2020)
  • Author(s): 上田浩平, 森内直輝, 福島健太, 木田 孝則, 萩原 政幸, 松野丈夫
  • Organizer: スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワーク拠点2020年度年次報告会
  • Invited
• [Presentation] Emergent Phenomena at Oxide Interfaces with Strong Spin-Orbit Coupling (2020)
  • Author(s): Jobu Matsuno
  • Organizer: 2020 MRS Spring/Fall Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 2層膜Ni81Fe19/IrO2におけるスピン軌道トルク生成 (2020)
  • Author(s): 上田 浩平, 森内 直輝, 福島 健太, 木田 孝則, 萩原 政幸, 松野丈夫
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Emergent phases at oxide interfaces with strong spin-orbit coupling (2019)
  • Author(s): J. Matsuno
  • Organizer: Oxide Superspin 2019 Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 5d電子系界面におけるスピン流特性 (2019)
  • Author(s): 松野 丈夫
  • Organizer: 令和元年度東北大学電気通信研究所共同プロジェクト研究会「固体素子における非平衡ダイナミクスの精緻な理解と機能開拓」
• [Presentation] Y3Fe5O12/IrO2界面におけるスピン流物性 (2019)
  • Author(s): 福島 健太, 森内 直輝, 木田 孝則, 萩原 政幸, 上田 浩平, 松野 丈夫
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] NiFe/IrO2界面における電流-スピン流変換効率 (2019)
  • Author(s): 森内 直輝, 福島 健太, 木田 孝則, 萩原 政幸, 上田 浩平, 松野 丈夫
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] エピタキシャル酸化物界面におけるスピン流の検出 (2019)
  • Author(s): 寺林 真輝、関 真一郎、高木 里奈、中村 優男、川﨑 雅司、石橋 幸治、齋藤 智彦、松野 丈夫
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Spin-orbitronics at transition-metal oxide interfaces (2019)
  • Author(s): J. Matsuno
  • Organizer: 16th RIEC International Workshop on Spintronics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Oxide spintronics utilizing spin-orbit coupling (2019)
  • Author(s): J. Matsuno
  • Organizer: 19th Japan-Korea-Taiwan Symposium on Strongly Correlated Electron Systems (JKT19)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Magnetic proximity effect at oxide interfaces with strong spin-orbit coupling (2019)
  • Author(s): J. Matsuno
  • Organizer: 8th Indo-Japan Seminar: Designing Emergent Materials
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Transport phenomena in heterostructures of strong spin-orbit interaction oxides (2018)
  • Author(s): J. Matsuno
  • Organizer: 14th International Ceramics Congress (CIMTEC 2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Oxide spintronics utilizing spin-orbit coupling (2018)
  • Author(s): J. Matsuno
  • Organizer: Topological and Correlated Electronic Materials (ToCoTronics2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Electric-field control of anomalous and topological Hall effects in oxide bilayer thin films (2018)
  • Author(s): J. Matsuno
  • Organizer: SPIE (Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers) Nanoscience + Engineering
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Oxide spin-orbitronics (2018)
  • Author(s): J. Matsuno
  • Organizer: 第42回日本磁気学会学術講演会
  • Invited
• [Presentation] 5d電子系酸化物の界面とスピントロニクス (2018)
  • Author(s): 松野 丈夫
  • Organizer: 平成30年度東北大学電気通信研究所共同プロジェクト研究会「電荷とスピンの制御に基づく精密物性科学の構築とデバイス応用」
  • Invited
• [Presentation] 酸化物界面におけるDM相互作用とスキルミオン (2018)
  • Author(s): 松野 丈夫
  • Organizer: 日本磁気学会・第67回スピンエレクトロニクス専門研究会
  • Invited
• [Presentation] Anomalous Hall effect in perovskite cobalt oxide thin films (2018)
  • Author(s): Y. Ohuchi, J. Matsuno, Y. Kozuka, M. Uchida, M. Kawasaki
  • Organizer: APS March Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] スピン‐軌道相互作用・電子相関・トポロジーの三重点 (2017)
  • Author(s): 松野 丈夫
  • Organizer: 東北大学金属材料研究所共同利用・共同研究ワークショップ「物性物理分野における協働展開」
  • Invited
• [Presentation] 非磁性イリジウム酸化物を用いたスピントロニクス (2017)
  • Author(s): 松野 丈夫
  • Organizer: 日本学術振興会先進セラミックス第124 委員会研究会「電子・スピン・フォトン機能と情報分野に関わるマテリアル開発」
  • Invited
• [Presentation] CEMS Symposium on Trends in Condensed Matter Physics (2017)
  • Author(s): J. Matsuno
  • Organizer: Magnetic proximity effect at epitaxial oxide interfaces
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] トポロジーに由来する界面磁気輸送現象 (2017)
  • Author(s): 松野 丈夫
  • Organizer: 平成29年度東北大学電気通信研究所 共同プロジェクト研究会「電荷とスピンの制御に基づく精密物性科学の構築とデバイス応用」
  • Invited
• [Presentation] 酸化物エピタキシャル界面における磁気近接効果 (2017)
  • Author(s): 松野 丈夫，大内 祐貴，鈴木 基寛，是常 隆，有田 亮太郎，小塚 裕介，打田 正輝，有馬 孝尚，十倉 好紀，川﨑 雅司
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] SrCoO3薄膜における異常ホール効果 (2017)
  • Author(s): 大内 祐貴，松野 丈夫，小塚 裕介，打田 正輝，川﨑 雅司
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Observation of antiparallel Ru-Ir spins in SrRuO3-SrIrO3 heterointerface (2017)
  • Author(s): Y. Ohuchi, J. Matsuno, M. Suzuki, T. Koretsune, R. Arita, Y. Kozuka, M. Uchida, T. Arima, Y. Tokura, M. Kawasaki,
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Oxide spintronics: how to tame spin-orbit coupling (2017)
  • Author(s): J. Matsuno
  • Organizer: International Union of Materials Research Societies - International Conference on Advanced Materials 2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] スピン‐軌道相互作用を用いたスピンの制御・活用 ―イリジウム酸化物を含む界面現象― (2017)
  • Author(s): 松野 丈夫
  • Organizer: 日本磁気学会・第75回ナノマグネティクス専門研究会
  • Invited
• [Remarks]
  • URL: http://www.riken.jp/pr/press/2018/20180115_1/