Antiferromagnetic Skyrmions in Multi-metal Nitride thin films
| Project/Area Number |
22KJ1581
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| Project/Area Number (Other) |
22J15651 (2022)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2023)
Single-year Grants (2022) |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
QIANG BOWEN 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 研究員
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| Project Period (FY) |
2023-03-08 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥1,700,000 (Direct Cost: ¥1,700,000)
Fiscal Year 2023: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2022: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
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| Keywords | 磁気スキルミオン / トポロジカルホール効果 / Lorentz-TEM / ノンコリニア磁気抵抗効果 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究は、広い温度範囲で応用可能な高感度な熱流センサーを実現するための強磁性スキルミオンFe2-xMo3Nエピタキシャル薄膜におけるトポロジカルネルンスト効果と異常ネルンスト効果に関する研究である。Fe2-xMo3Nは、4 Kから室温までの温度範囲で60nm程度の微小なスキルミオンを有することから、高感度な熱流センサー応用に必要なトポロジカルネルンスト効果を発揮することが期待されている。
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| Outline of Annual Research Achievements |
磁気スキルミオンは実空間におけるスピンから構成されているトポロジカル構造であり、トポロジカル的安定性と微小サイズのメリットから次世代スピントロニクスデバイスへの応用に期待されている。カイラル磁性体におけるスキルミオンはDMIと磁性の交換相互作用のバランス (D/J) で生み出されることから微小サイズスキルミオンと高動作温度 (磁気転移温度) の両立が課題となる。特に、反強磁性スキルミオンはスキルミオンの微小サイズとトポロジカル的安定性および反強磁性体のため漏洩磁場の影響を受けないことから高速動作に必要な要件をすべて満たす、次世代スピントロニクスデバイスのキーマテリアルとして探索がされている。
そこで本研究では、微小サイズで室温動作可能な強磁性および反強磁性スキルミオンの実現と反強磁性スキルミオン検出にも適用可能な電気的検出手法を探索することを目的とした。目的を達成するために、カイラル磁性体の中で充填型β-Mn構造をもち磁性元素を変えることでカイラル強磁性体 (Fe2Mo3N) とカイラル反強磁性体 (Co2Mo3N) が母物質となり、磁性元素サイトに重金属PdをドープすることでD/J制御が可能なFe2-xPdxMo3N (FPMN) およびFe2-xPdxMo3N (CPMN) に着目し、薄膜成長と重金属PdドープによるD/J制御を行った。得られた薄膜試料において磁気特性と量子輸送特性の評価を行いトポロジカルホール効果とNCMRなどの電気的検出手法を合わせて磁気相図を得た。また、Lorentz-TEM法とXMCD-PEEM法などの実空間観察手法を用いて形成されるスキルミオン磁気構造の評価を行った。さらに、得られた磁気特性および量子特性の結果からDとJの値の導出を行い、充填型β-Mn構造カイラル磁性体における磁気構造のD/J制御の効果について定性的な評価を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究はC-Sapphire基板上にCPMN (110) 方向のエピタキシャル成長に成功した。得られた薄膜の面直格子定数がPd組成に線形の依存性を示すことからPdが充填型β-Mn構造の磁気副格子 (8cサイト) にドープされることを示した。全ての組成においてCPMN薄膜試料は反強磁性相転移 (TN) とスピンリオリエンテーション転移 (TSR) の2つの磁気相転移を示すことを明らかにした。Pd組成 x>0.6 の領域でネール温度の上昇および飽和磁化の増大が観測されることを示した。この結果はPdドープによるDMIの増大とフェルミ準位近傍の価電子状態密度の増大によりスピンキャンティングの形成されることによると結論づけた。さらに、2つの磁気相転移とスピンキャンティングの形成により、CPMN (x = 0-1.61)の磁気相図はSpiral-Ⅰ(x<0.6,T<TSR), AFM-Ⅰ(x<0.6,TSR<T<TN), Spiral-Ⅱ(x>0.6,T<TSR) およびAFM-Ⅱ(x>0.6,TSR<T<TN) に大きく分類される4つの磁気状態からなることを示した。Spiral-Ⅱ相におけるトポロジカルホール効果およびNCMRの測定から、この相において強磁性スキルミオンが形成される可能性を示した。一方で、AFM-Ⅱ相においては、トポロジカルホール効果が消失し、NCMRが観測されることを見出した。さらに、巨大な異常ホール効果が温度によらず、TN以下の温度領域において観測されることを示した。観測された巨大な異常ホール効果は実空間におけるトポロジカルなスピン構造の存在に起因すると考えられることから、以上の結果はAFM-Ⅱ相において反強磁性スキルミオンが生成されていることを示唆すると結論づけた。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究において目的とした室温反強磁性スキルミオンの実現については、CPMN薄膜試料において実空間観測には至っていないものの、トポロジカルホール効果の消失と巨大な異常ホール効果の観測により、ある程度高い可能性で室温反強磁性スキルミオンが生成されていることが示されたと考えている。さらに、トンネリングデバイスを用いた磁気抵抗効果の測定により、トポロジカルなスピン構造に由来するNCMRが検出されることがFPMNおよびCPMNの双方で示されたことにより、この手法が反強磁性スキルミオンに対しても適用可能な電気的検出手法であることが示されたと考えている。
今後、反強磁性スキルミオンの弱い磁化により観測の難易度が格段にあがることが予測されるものの実空間観察を実現することが必要不可欠であると考えている。そのため、反強磁性体における磁気構造に対する知見を得る上で有力な手法として、X線磁気線二色性を利用したXMLD-PEEM観察を用いた実空間観察を行っていきたいと考えている。また、反強磁性スキルミオンにおいては電流と垂直の方向にスピン流が流れるトポロジカルスピンホール効果 (TSHE) が理論的に予測されている。反強磁性スキルミオンにより生成されたスピン流を直接的に測定することにより反強磁性スキルミオンを検出することが原理上は可能と期待している。反強磁性スキルミオンは磁化と有効磁場を示さないことから、実空間観察の難易度が強磁性スキルミオンに比べ格段にあがることと、反強磁性スキルミオンをデバイス応用するという立場から、今後、電気的な手法により反強磁性スキルミオンを検出することの重要度は増してくるものと考えている。そのため、反強磁性スキルミオンの実空間観測と合わせて、電気的な手法としてTHEの消失とNCMRの組合せの他、TSHEの検出法の確立に向けた取り組みについても今後の展望とされている。
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Report
(1 results)
Research Products
(9 results)
