Spin torque induced dynamics and spin fluctuation in nanoscale non-collinear antiferromagnets

• Project/Area Number: 22K14558
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 28020:Nanostructural physics-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 竹内 祐太朗 東北大学, 材料科学高等研究所, 特任助教 (10882136)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2022: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: スピントロニクス / 反強磁性体 / フラストレーション / スピントルク / スピン軌道トルク / スピンゆらぎ / ノンコリニア

Outline of Research at the Start

近年スピントロニクスの分野で磁化がゼロの反強磁性体が注目を集めている。特にノンコリ
ニア反強磁性体は特異な量子効果や電流応答などにより研究が活性化している。本研究ではこれまでの成果を基礎に当領域に新たな展開をもたらすべく、ナノスケール微細構造で現れる物性と機能性に着目する。ナノスケールで顕著になるスピントルク・スピンゆらぎの効
果を解明し、それを利用した従来にない新機能スピントロニクス素子の原理実証を行う。こ
れは超高速・低消費電力な情報・通信・エネルギーデバイス実現の新基盤となる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究遂行にあたり必須となるナノスケールノンコリニア反強磁性微細素子の作製手法を確立し、異常ホール効果をはじめとするその量子効果を観測することができた。作製した素子において、スピンゆらぎの指標である熱安定性の素子サイズ依存性を調べて、その熱安定性が一斉反転モデルと核生成反転モデルによって説明できることが示された。本研究を通して、反強磁性体におけるスピンゆらぎおよび熱活性反転の科学的知見が得られた。
ノンコリニア反強磁性体/重金属のヘテロ構造においてスピン軌道トルクを作用させたときのその磁気構造のダイナミクスを調べた。その結果、ノンコリニア反強磁性体の磁気状態を表す磁気八極子が従来の強磁性体の磁気モーメントとは異なるスピンダイナミクスを示すことがわかった。加えて、ノンコリニア反強磁性体/重金属の基本波および高調波ホール測定を行うことで、ノンコリニア反強磁性体薄膜の磁気異方性やそれに作用するスピン軌道トルクの定量的な評価が実現された。また、ノンコリニア反強磁性体エピタキシャル薄膜においてその異常ホール効果と磁気異方性の膜厚依存性を調べた。ノンコリニア反強磁性体の2回対称の磁気異方性は膜厚の減少とともに増加し、その増加が格子ひずみによるものであることがわかった。本研究によって、ノンコリニア反強磁性体のスピントルクによる特異なダイナミクスが明らかになるとともに、その高効率な電気的制御のためのデバイス特性評価手法が確立された。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究課題における必須事項であったノンコリニア反強磁性体のナノスケール微細素子の作製手法が遂行1年目にして確立し、さらにその熱安定性を明らかにすることができた。また、測定可能な試料数の増加やウェハ内ばらつきの抑制もある程度可能になり、測定手法も最適化したことでシステマティックな研究が可能になっており、計画が順調に進んでいると思われる。

Strategy for Future Research Activity

今後は作製したナノスケールノンコリニア反強磁性体にスピントルクを作用し、ナノスケール微細構造で現れる物性と機能性の探求を目指す。電気測定系についてはすでに構築されており、より系統的な実験結果が見込まれている。

Research Products

• [Journal Article] Thermal stability of non-collinear antiferromagnetic Mn₃Sn nanodot (2023)
  • Author(s): Sato Yuma、Takeuchi Yutaro、Yamane Yuta、Yoon Ju-Young、Kanai Shun、Ieda Jun’ichi、Ohno Hideo、Fukami Shunsuke
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 122 Issue: 12 Pages: 122404-122404
  • DOI: 10.1063/5.0135709
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Sputter-deposited non-collinear antiferromagnetic Mn3Sn thin films with controlled crystal orientation (2023)
  • Author(s): J.-Y. Yoon, Y. Takeuchi, R. Itoh, S. Kanai, S. Fukami, H. Ohno
  • Organizer: 第70回応用物理学会秋季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] Unconventional octupole dynamics of a non-collinear antiferromagnet driven by spin-orbit torque (2023)
  • Author(s): J.-Y. Yoon, P. Zhang, C. -T. Chou, Y. Takeuchi, T. Uchimura, J. T. Hou, J. Han, S. Kanai, H. Ohno, S. Fukami, L. Liu
  • Organizer: EEE International Magnetics Conference (Intermag 2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Chiral-spin rotation of antiferromagnetic Weyl semimetal Mn3Sn by spin-orbit torque, (2022)
  • Author(s): Y. Takeuchi, Y. Yamane, J.-Y. Yoon, R. Itoh, R. Takechi, K. Kishi, S. DuttaGupta, S. Kanai, B. Jinnai, J. Ieda, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: Advanced Technology Institute (ATI) 2022 2nd spintronics workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Thermal stability of non-collinear antiferromagnetic Mn3Sn nanodot (2022)
  • Author(s): Y. Sato, Y. Takeuchi, Y. Yamane, S. Kanai, J. Yoon, J. Ieda, H. Ohno and S. Fukami
  • Organizer: The 67th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thickness dependence of anomalous Hall effect in non-collinear antiferromagnetic D019-Mn3Sn epitaxial thin films (2022)
  • Author(s): S. Wakabayashi, Y. Takeuchi, J. -Y. Yoon, Y. Sato, K. Kishi, T. Uchimura, Y. Yamane, S. Kanai, J. Ieda , H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: The 6th Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Domain imaging of an antiferromagnetic Weyl semimetal Mn3Sn thin films by magneto-optical Kerr effect (2022)
  • Author(s): T. Uchimura, J.-Y. Yoon, Y. Sato, Y. Takeuchi, S. Kanai, R. Takechi, K. Kishi, Y. Yaman, S. DuttaGupta, J. Ieda, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: The 6th Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Size dependence of thermal stability factor in non-collinear antiferromagnetic Mn3Sn nanodot (2022)
  • Author(s): Y. Sato, Y. Takeuchi, Y. Yamane, J.-Y. Yoon, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: The 6th Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Magneto-optical Kerr effect study for non-collinear antiferromagnetic Mn3Sn thin films (2022)
  • Author(s): . Uchimura, J. Yoon, Y. Sato, Y. Takeuchi, S. Kanai, R. Takechi, K. Kishi, Y. Yamane, S. DuttaGupta, J. Ieda, H. Ohno, S. Fukami
  • Organizer: 24th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces (ICMFS-2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dot size dependence of thermal stability in non-collinear antiferromagnet Mn3Sn (2022)
  • Author(s): Y. Sato, Y. Takeuchi, Y. Yamane, J. Yoon, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno and S. Fukami
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会