Current-induced domain wall motion in ferromagnets with Weyl points

• Project/Area Number: 20H02598
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 29010:Applied physical properties-related
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: Yamanouchi Michihiko 北海道大学, 情報科学研究院, 准教授 (40590899)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥18,330,000 (Direct Cost: ¥14,100,000、Indirect Cost: ¥4,230,000); Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2021: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2020: ¥12,220,000 (Direct Cost: ¥9,400,000、Indirect Cost: ¥2,820,000)
• Keywords: 電流誘起磁壁移動 / スピントロニクス / スピン軌道相互作用

Outline of Research at the Start

トポロジカル物質である磁性ワイル半金属においては、スピントロニクスデバイスの磁化反転手法の一つである電流誘起磁壁移動を低消費電力で実現できることが理論的に指摘されている。本研究では、フェルミ準位近傍にワイル点を有する強磁性体を用いて、ワイル点での特異なスピン軌道相互作用を反映する異常ホール効果と電流誘起磁壁移動が依存するパラメータの相関を調べることにより、ワイルフェルミオンが電流誘起磁壁移動に及ぼす効果を明らかにする。

Outline of Final Research Achievements

In a ferromagnetic oxide SrRuO3 with Weyl points, we show that the effective magnetic field exerted on a magnetic domain wall by current exhibits nonmonotonic temperature dependence with two peaks and exceeds those induced by conventional mechanisms. By comparing the experimental results with theoretical calculations, the temperature dependence and magnitude of the effective magnetic field is explained well by topological Hall torque originating from Weyl electrons.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究は、ワイル電子に起因したトポロジカルホールトルクを世界に先駆けて実験的に明らかにした研究であり、理想的なトポロジカル物質ではないワイル点を有する強磁性体における電流誘起磁壁移動でも、ワイル電子が重要な役割を担うことを実証した研究と考えられる。また、このトポロジカルホールトルクを用いることにより、従来機構よりも高効率かつ電気的な磁化反転が可能になるため、ワイル点を有する強磁性体を応用することにより、既存の磁気メモリの高性能化や、新規スピントロニクス現象・スピントロニクス素子に関する研究への展開が期待される。

Research Products

• [Journal Article] Deterministic field-free switching of perpendicular magnetization by spin?orbit torques originating from in-plane magnetized Co₂MnAl (2023)
  • Author(s): Morita Daimu、Hara Takuya、Yamanouchi Michihiko、Uemura Tetsuya
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 13 Issue: 1 Pages: 015037-015037
  • DOI: 10.1063/9.0000484
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effect of off-stoichiometric composition on half-metallic character of Co₂Fe(Ga,Ge) investigated using saturation magnetization and giant magnetoresistance effect (2022)
  • Author(s): Chikaso Yuki、Inoue Masaki、Tanimoto Tessei、Kikuchi Keita、Yamanouchi Michihiko、Uemura Tetsuya、Inubushi Kazuumi、Nakada Katsuyuki、Shinya Hikari、Shirai Masafumi
  • Journal Title: Journal of Physics D: Applied Physics Volume: 55 Issue: 34 Pages: 345003-345003
  • DOI: 10.1088/1361-6463/ac73c1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Observation of topological Hall torque exerted on a domain wall in the ferromagnetic oxide SrRuO3 (2022)
  • Author(s): Yamanouchi Michihiko、Araki Yasufumi、Sakai Takaki、Uemura Tetsuya、Ohta Hiromichi、Ieda Jun’ichi
  • Journal Title: Science Advances Volume: 8 Issue: 15
  • DOI: 10.1126/sciadv.abl6192
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Spin-orbit Torque in Structures with Magnetization-compensated MnGa/Co2MnSi bilayer (2021)
  • Author(s): Hara Takuya、Jono Kohey、Yamanouchi Michihiko、Uemura Tetsuya
  • Journal Title: IEEE Transactions on Magnetics Volume: - Issue: 8 Pages: 1-4
  • DOI: 10.1109/tmag.2021.3139899
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Spin-orbit torque induced magnetization switching for an ultrathin MnGa/Co2MnSi bilayer (2021)
  • Author(s): Jono Kohey、Shimohashi Fumiaki、Yamanouchi Michihiko、Uemura Tetsuya
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 11 Issue: 2 Pages: 025205-025205
  • DOI: 10.1063/5.0032732
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Pd/Co2MnGa垂直磁化膜における電流誘起磁壁移動 (2023)
  • Author(s): 小山貴也，西岡優輝，植村哲也，山ノ内路彦
  • Organizer: 第58回応用物理学会北海道支部学術講演会
• [Presentation] Current-induced domain wall motion in a perpendicularly magnetized Co2MnGa/Pd (2023)
  • Author(s): Takaya Koyama, Yuki Nishioka, Tetsuya Uemura, and Michihiko Yamanouchi
  • Organizer: 第70回応用物理学会 春季学術講演会
• [Presentation] Observation of topological Hall torque in the ferromagnetic oxide SrRuO3 (2022)
  • Author(s): Michihiko Yamanouchi
  • Organizer: The 23rd RIES-Hokudai International Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Nonmonotonic temperature dependence of current-induced effective magnetic field exerted on domain wall in SrRuO3 (2022)
  • Author(s): M. Yamanouchi, Y. Araki, T. Sakai, T. Uemura, H. Ohta, and J. Ieda
  • Organizer: The 15th Joint MMM-INTERMAG Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Temperature dependence of current-induced effective magnetic field acting on domain wall in SrRuO3 (2021)
  • Author(s): Takaki Sakai, Michihiko Yamanouchi, Yasufumi Araki, Tetsuya Uemura, Hiromichi Ohta, and Jun’ichi Ieda
  • Organizer: 2021年 第82回応用物理学会秋季学術講演会（オンライン
• [Presentation] Pt/SrRuO3 積層構造におけるスピン軌道トルクと磁壁の相互作用 (2021)
  • Author(s): 酒井貴樹, 野土翔登, 長浜太郎, 植村哲也, 山ノ内路彦
  • Organizer: 第56 回応用物理学会北海道支部 第17 回日本光学会北海道支部 合同学術講演会
• [Presentation] MnGa/Co2MnSi bilayer for spin-orbit torque magnetization switching (2020)
  • Author(s): Michihiko Yamanouchi, Kohey Jono, Fumiaki Shimohashi, Tetsuya Uemura
  • Organizer: The 65th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 磁化反転に応用可能な新原理トルクを世界で初めて実証～磁気メモリの大幅な省電力化が期待
  • URL: https://www.hokudai.ac.jp/news/2022/04/post-1024.html