| Project/Area Number |
22H04964
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Broad Section D
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
安藤 和也 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (30579610)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三輪 真嗣 東京大学, 物性研究所, 准教授 (20609698)
浜屋 宏平 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (90401281)
片瀬 貴義 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (90648388)
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| Project Period (FY) |
2022-04-27 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥197,340,000 (Direct Cost: ¥151,800,000、Indirect Cost: ¥45,540,000)
Fiscal Year 2024: ¥23,920,000 (Direct Cost: ¥18,400,000、Indirect Cost: ¥5,520,000)
Fiscal Year 2023: ¥39,520,000 (Direct Cost: ¥30,400,000、Indirect Cost: ¥9,120,000)
Fiscal Year 2022: ¥84,500,000 (Direct Cost: ¥65,000,000、Indirect Cost: ¥19,500,000)
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| Keywords | スピントロニクス |
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| Outline of Research at the Start |
物質中の電子は電荷・スピン・軌道の自由度を持ち、電流とスピン流は現代の産業・電子物理の基盤である。一方、軌道自由度に対応する「軌道流」は存在そのものが実験的には明らかではなかった。本研究は、軌道流まで包括する「角運動量流」の生成・変換・制御原理を体系化することで、従来の電子技術の延長線上にはない新たなテクノロジー体系「スピン軌道エレクトロニクス」の基盤を構築するものである。
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| Outline of Annual Research Achievements |
電流と軌道流の相互変換が生み出す新現象として、軌道流生成現象である軌道ホール効果と軌道流・磁化の相互作用に起因して素子抵抗が変化する「軌道ホール磁気抵抗効果」の観測に成功した。スピンホール効果が初めて観測されて以降、20年近くのスピントロニクス研究において、スピンホール効果とスピン流が誘起する多彩な現象が次々と明らかになってきた。これらのスピン流誘起現象には軌道流対応物が存在することが期待され、今回の結果はこれら新現象群開拓の契機となるものである。また、スピン軌道相互作用による軌道流からスピン流への変換に関しても新たな知見が得られた。スピンホール効果による電流誘起トルクは、金属だけでなく絶縁体中の磁化の電気的制御さえ可能にすることが知られており、これを実現する代表的素子としてPt/Tm3Fe5O12構造がある。本研究では、軌道ホール効果を示すTaを組み込んだTa/Pt/Tm3Fe5O12構造を用いることで、Taの軌道ホール効果とPt中のスピン軌道相互作用による軌道流からスピン流への変換に起因する電流誘起トルクによって、Pt/Tm3Fe5O12構造と比較して電流誘起トルクの生成効率が一桁増大することを明らかにした。Ptのスピンホール効果は電流誘起トルクの最も強力な生成源であると考えられてきた。軌道流を利用することでその電流誘起トルクをさらに一桁増大させられるというこの結果は重要であると考え、上記成果を元に、研究期間後期に実施予定であった計画を前倒しして実施した。この結果、軌道ホール効果と軌道流からスピン流への変換を用いることで、磁化反転に必要な電流密度をスピン流のみによる駆動の場合と比較して一桁程度低減させられることを明らかにした。これは現在知られている中で最も高効率な絶縁体磁化の電気的制御を実現したものであり、軌道流のデバイス応用においても重要な成果が得られたといえる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究推進の基盤となる軌道流の生成手法を確立し、軌道流の基礎的物性を早期に明らかにすることを目的とし、スピン軌道相互作用の弱い系に注目して電流誘起トルクの物質・構造依存性データを構築した。この中で、スピン流と軌道流の分離や電流誘起トルクの定量性の観点から、Tiの軌道ホール効果が効果的な軌道流・軌道トルク源であることを突き止めた。これまでの研究によって、軌道流の伝導・応答に関して基礎的知見が得られ、軌道流とスピン流の本質的違いが明らかとなった。さらに軌道流物性が顕在化する系が特定されたことで、軌道流が誘起する新現象開拓が可能となった。このように現在までの研究は計画以上に順調に進展しており、当初の目的は十分に達成されている。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究に引き続き、軌道流源となる物質の開拓と軌道流の基礎的性質（伝導・応答）の解明に取り組むとともに、軌道流とスピン流の変換現象に関するデータを構築する。さらに、エピタキシャル試料における軌道ホール効果・軌道ラシュバ効果による角運動量輸送に関する研究に取り組む。
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