Ultrafast control of antiferromagnetic nanostructures

• Project/Area Number: 22KK0072
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 29:Applied condensed matter physics and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 山根 結太 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (30586863)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 竹内 祐太朗 東北大学, 材料科学高等研究所, 特任助教 (10882136) ; 好田 誠 東北大学, 工学研究科, 教授 (00420000)
• Project Period (FY): 2022-10-07 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥20,150,000 (Direct Cost: ¥15,500,000、Indirect Cost: ¥4,650,000); Fiscal Year 2024: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2023: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2022: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000)
• Keywords: スピントロニクス / 反強磁性

Outline of Research at the Start

反強磁性ナノ構造を対象として、テラヘルツ領域における超高速磁気ダイナミクスの制御に実験・理論の両面から挑む。これにより、反強磁性ナノ構造における磁気励起現象の解明とその工学応用へ向けた研究展開が拓かれる。スピン流物理研究の知見と、高品質カイラル反強磁性薄膜の作製技術、および海外共同研究者が有する超高速磁気測定技術を組み合わせることで、反強磁性ナノ構造をテラヘルツで制御する新手法の創出を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、反強磁性ナノ構造を対象として、その電流誘起高速磁気ダイナミクスの制御に実験・理論の両面から挑むものである。磁気デバイスの飛躍的な高速化（テラヘルツ領域）を実現しうる材料物質として、反強磁性物質が近年注目を集めている。しかし、こうした超高速領域での磁気ダイナミクスについては未解明な部分も多く、テラヘルツで反強磁性体を電気的に制御する手段はいまだ確立されていない。本研究の目的は、カイラル反強磁性体において最近見出されたスピン流誘起恒常回転励起に着目し、これを電気的パルスにより精密制御することで、反強磁性ナノ構造の高速磁気構造スイッチングへの道を拓くことである。これにより、反強磁性ナノ構造における磁気励起現象の解明とその工学応用へ向けた研究展開が拓かれると期待される。スピン流物理研究の知見と、高品質カイラル反強磁性薄膜の作製技術、および海外共同研究者が有する高速磁気測定技術を組み合わせることで、反強磁性ナノ構造をテラヘルツで制御する新手法の創出を目指す。当該年度においては、採択直後に代表者が海外共同研究先であるロレーヌ大学（仏）へ渡航し、セミナー実施及び議論打ち合わせを通じて今後のプロジェクトの具体的方針を定めた。その後、カイラル反強磁性体Mn3Snのエピタキシャル単結晶ナノドット薄膜の作製およびその熱安定性の評価に成功し、この成果はApplied Physics Letters 122, 122404 (2023)に掲載され、Featured Articleに採択されている。本成果により、ナノスケールでのカイラル反強磁性ダイナミクスのより詳細に迫ることが可能となる。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

当初の研究計画では、計画初年度である当該年度は主に、共同計画の立ち上げをスムーズに完了させることを目標としていた。初年度のうちにカイラル反強磁性体Mn3Snのエピタキシャル単結晶ナノドット薄膜の作製とその物性評価に成功したことは、当初の計画以上の進展である。また、当初計画になかった新しい反強磁性研究の展開の一つとして、代表者は同種重金属にサンドイッチされた積層反強磁性構造における電流誘起磁化反転ダイナミクスに関する実験・理論研究において、Applied Physics Letters 122, 162402 (2023)を発表している。

Strategy for Future Research Activity

研究代表者・研究分担者がロレーヌ大学に定期的に渡航するとともに、先方から研究者を招聘する人材交流を通じて、共同研究をさらに加速させていく。具体的には、山根(研究代表者)が研究総括、数値シミュレーションに基づく実験設計、および実験結果の理論解析を行う。竹内(研究分担者)・好田 (研究分担者)が素子作製から素子の基礎物性評価・スピン輸送特性評価までを行う。磁性材料成膜から加工・熱処理、素子評価までの工程を、東北大学にて行う。光学的・電気的パルスを用いた測定実験は、ロレーヌ大学にてStephane Mangin氏(海外共同研究者)が運用する既設設備を適宜利用しながら、同氏のサポートのもとで行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ロレーヌ大学(フランス)
• [Int'l Joint Research] マインツ大学(ドイツ)
• [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
• [Journal Article] Magnetization switching process by dual spin-orbit torque in interlayer exchange-coupled systems (2023)
  • Author(s): Masuda Hiroto、Yamane Yuta、Seki Takeshi、Raab Klaus、Dohi Takaaki、Modak Rajkumar、Uchida Ken-ichi、Ieda Jun'ichi、Kl?ui Mathias、Takanashi Koki
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 122 Issue: 16 Pages: 162402-162402
  • DOI: 10.1063/5.0140328
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Characterization of the out-of-plane Dresselhaus effective magnetic field in InGaAs/InAlAs (110) multiple quantum wells at room temperature (2023)
  • Author(s): Sato Shota、Sugaya Kyohei、Nakanishi Koichi、Yokota Nobuhide、Kohda Makoto、Morita Ken
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 62 Issue: 4 Pages: 048001-048001
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acbff6
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Imprinting Spatial Helicity Structure of Vector Vortex Beam on Spin Texture in Semiconductors (2023)
  • Author(s): Ishihara Jun、Mori Takachika、Suzuki Takuya、Sato Sota、Morita Ken、Kohda Makoto、Ohno Yuzo、Miyajima Kensuke
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 130 Issue: 12 Pages: 126701-126701
  • DOI: 10.1103/physrevlett.130.126701
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Lifetime of spin-orbit induced spin textures in a semiconductor heterostructure probed by quantum corrections to conductivity (2022)
  • Author(s): Saito Takahito、Nishimura Toshimichi、Yoon Ju-Young、K?lzer Jonas、Iizasa Daisuke、Kammermeier Michael、Sch?pers Thomas、Nitta Junsaku、Kohda Makoto
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 4 Issue: 4 Pages: 043217-043217
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.4.043217
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of an optically gated <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mi>Fe</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mtext>-GaAs</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> spin-polarized transistor (2022)
  • Author(s): Kim J. Y.、Samiepour M.、Jackson E.、Ryu J.、Iizasa D.、Saito T.、Kohda M.、Nitta J.、Beere H. E.、Ritchie D. A.、Hirohata A.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 106 Issue: 13 Pages: 134404-134404
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.134404
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Selective damping modulation in a synthetic antiferromagnet induced by spin?orbit torque (2022)
  • Author(s): Karube Shutaro、Hoshika Takumi、Zhang Chaoliang、Kohda Makoto、Nitta Junsaku
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 15 Issue: 10 Pages: 103001-103001
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac9512
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Current-induced domain-wall motion in synthetic antiferromagnets with antisymmetric interlayer exchange coupling (2023)
  • Author(s): H. Masuda, Y. Yamane, T. Seki, T. Dohi, T. Yamazaki, R. Modak, K. Uchida, J. Ieda, M. Klaui, K. Takanashi
  • Organizer: 第70回 応用物理学会 春季学術講演会
• [Presentation] Theory of emergent inductance with spin-orbit coupling effects (2022)
  • Author(s): Yuta Yamane
  • Organizer: Symposium Spintronics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Current-driven dynamics of noncollinear antiferromagnetic textures (2022)
  • Author(s): Yuta Yamane
  • Organizer: Institut Jean Lamour Seminar
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Large antisymmetric interlayer exchange coupling enabling perpendicular magnetization switching by an in-plane magnetic field (2022)
  • Author(s): H. Masuda, T. Seki, Y. Yamane, R. Modak, K. Uchida, J. Ieda, Y.-C. Lau, S. Fukami, K. Takanashi
  • Organizer: The 67th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermal stability of non-collinear antiferromagnetic Mn3Sn nanodot (2022)
  • Author(s): Y. Sato, Y. Takeuchi, Y. Yamane, J.-Y. Yoon, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, S. Fukami
  • Organizer: The 67th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM 2022)
  • 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, S. Fukami
  • Organizer: The 6th Symposium for the Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics, and the 5th Symposium on International Joint Graduate Program in Materials Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Domain imaging of 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. Yamane, S. DuttaGupta, J. Ieda, H. Ohno, S. Fukami
  • Organizer: The 6th Symposium for the Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics, and the 5th Symposium on International Joint Graduate Program in Materials Science
  • 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, S. Fukami
  • Organizer: The 6th Symposium for the Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics, and the 5th Symposium on International Joint Graduate Program in Materials Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Size dependence of thermal stability in non-collinear antiferromagnetic Mn3Sn nanodot (2022)
  • Author(s): Y. Sato, Y. Takeuchi, Y. Yamane, J.-Y. Yoon, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, S. Fukami
  • Organizer: 第41回電子材料シンポジウム
• [Presentation] Thickness dependence of anomalous Hall effect in non-collinear antiferromagnetic Mn3Sn epitaxial film (2022)
  • Author(s): S. Wakabayashi, Y. Takeuchi, J.-Y. Yoon, Y. Sato, K. Kishi, T. Uchimura, Y. Yamane, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, S. Fukami
  • Organizer: 第41回電子材料シンポジウム