イオン液体を用いた酸化物スピントロニクスの研究

• Project/Area Number: 18J20780
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Applied materials
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 白 怜士 慶應義塾大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000); Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2019: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2018: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: スピントロニクス / スピン軌道トルク / スピンHall効果 / Rashba電子系 / イオン液体

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は，電流から常磁性金属中のスピン軌道相互作用を介して磁化に与えられるスピン軌道トルクの生成メカニズムの解明であり，特に酸素や炭素などの軽元素が常磁性体金属中のスピン軌道トルク生成に与える影響を調べることであった．スピン軌道トルクはスピントロニクス分野において物理的にも興味深い現象なだけでなく，工学的な応用として磁気メモリ素子の磁化操作の技術としても注目されており，この研究によって省エネルギーデバイスへの寄与が期待される．
本研究の実績として以下の3つが挙げられる．1つ目に，常磁性体と強磁性体の界面における酸化物がスピントルク生成に与える影響も調べ，酸化物の種類によってその影響が顕著に異なることを明らかにした．強磁性体としてCo及びNiFeを選択し，それぞれの表面を大気暴露させることで酸化させた上にPtを成膜してデバイスを作製した．Coでは界面のスピン軌道相互作用が支配的である一方で，NiFeでは界面のスピン透過率が重要な役割を担っていることを明らかにした．2つ目として酸素を導入したPd薄膜におけるスピン軌道トルク生成の定量を通して，電流-スピン流変換において重要なスピンHall効果の不純物に対する振る舞いを系統的に調べた．これによりPd中のスピンHall効果を律速する緩和メカニズムに関して，酸素導入によるPd中の緩和時間の減少に伴ってバンド間励起が支配的な領域から伝導中の散乱が支配的な領域へのクロスオーバーを観測した．さらに3つ目として，イオン分子で構成される液体の塩であり固体絶縁体と比較して大きい誘電率をもつイオン液体を用いて強磁性体金属をエッチングし厚さを薄くすることで，単一の試料でスピン軌道トルク生成効率の強磁性体膜厚依存性を測定する方法を確立した．この方法によって試料間の誤差を考慮せずに，電流-スピン流変換現象の定量を可能にした．

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Role of interfacial oxidation in the generation of spin-orbit torques (2020)
  • Author(s): Haku Satoshi、Musha Akira、Gao Tenghua、Ando Kazuya
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 102 Issue: 2 Pages: 024405-024405
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.024405
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spin‐Torque Manipulation for Hydrogen Sensing (2020)
  • Author(s): An Hongyu、Haku Satoshi、Kageyama Yuito、Musha Akira、Tazaki Yuya、Ando Kazuya
  • Journal Title: Advanced Functional Materials Volume: 30 Issue: 30 Pages: 2002897-2002897
  • DOI: 10.1002/adfm.202002897
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spin-torque ferromagnetic resonance in electrochemically etched metallic device (2020)
  • Author(s): Suzuki Ryuki、Haku Satoshi、Hayashi Hiroki、Ando Kazuya
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 13 Issue: 4 Pages: 043007-043007
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ab8347
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Surface Rashba-Edelstein Spin-Orbit Torque Revealed by Molecular Self-Assembly (2020)
  • Author(s): Satoshi Haku、Atsushi Ishikawa、Akira Musha、Hiroyasu Nakayama、Takashi Yamamoto、Kazuya Ando
  • Journal Title: Physical Review Applied Volume: 13 Issue: 4 Pages: 044069-044069
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.13.044069
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Surface Rashba-Edelstein Spin-Orbit Torque tuned by organic monolayer (2019)
  • Author(s): Satoshi Haku
  • Organizer: 秋季応用物理学会2019 北海道大会
• [Presentation] Current-induced Spin-orbit torque of Pd/Ni81Fe19 Layers (2019)
  • Author(s): 白怜士
  • Organizer: 平成30年度スピン変換年次報告会
• [Presentation] Spin-orbit torque generated by Pd oxides (2019)
  • Author(s): 白怜士
  • Organizer: APS March Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 酸化誘起界面スピン軌道トルク (2018)
  • Author(s): 白怜士
  • Organizer: 第4回新学術領域研究 ナノスピン変換科学