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磁性材料・構造を利用したスピンオービトロニクスの新展開

Research Project

Project/Area Number 23K26171
Project/Area Number (Other) 23H01477 (2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023)
Section一般
Review Section Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
Research InstitutionNational Institute of Advanced Industrial Science and Technology

Principal Investigator

日比野 有岐  国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究員 (60895788)

Project Period (FY) 2023-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥19,370,000 (Direct Cost: ¥14,900,000、Indirect Cost: ¥4,470,000)
Fiscal Year 2025: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2023: ¥14,950,000 (Direct Cost: ¥11,500,000、Indirect Cost: ¥3,450,000)
Keywordsスピントロニクス / スピンオービトロニクス / スピン軌道相互作用 / スピン流 / 磁気層間結合 / スピン軌道トルク / ナノ構造制御 / スピンホール効果 / 磁気トンネル接合
Outline of Research at the Start

スピンオービトロニクスは従来のスピントロニクスで用いられた電子の電荷とスピンの自由度に加え、電子軌道の自由度を取り入れた新たな分野であり、非磁性材料中のスピン軌道相互作用を利用したスピンホール効果を中心に発展してきた。本研究課題では従来の非磁性材料ではなく、磁性材料・構造に焦点を当てることで、スピンオービトロニクスの新たな展開を見出す。磁性材料・構造におけるスピン軌道相互作用や対称性の破れを積極的に利用することで、新奇スピン流生成現象の解明・高効率化の新たな指針を示し、スピンオービトロニクスの不揮発性磁気メモリ搭載に向けた応用展開の足掛かりを開拓する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、従来のスピントロニクス・スピンオービトロニクスにて着目されてきた非磁性材料中のスピン軌道相互作用に対して磁性材料・構造におけるスピン軌道相互作用に焦点を当てることで、スピンオービトロニクスの新展開を見出すことを目的とし、1.磁性材料におけるスピン変換現象の開拓、2.自己誘発スピン軌道トルクの観測および高効率化、そして3.カイラル磁気層間結合の系統的調査を研究項目として掲げる。今年度では主に2と3の研究項目に取り組んだ。まず研究項目2については、Ni-Fe薄膜に組成傾斜を意図的に付与することで、自己誘発スピン軌道トルクの誘発を試みた。その結果、組成勾配方向に応じた自己誘発スピン軌道トルクがNi-Fe内生じることを観測し、この現象を説明する機構を理論的にも明らかにした。研究項目3については強磁性/Ir/強磁性の三層構造を磁気トンネル接合素子の記録層に搭載することでカイラル磁気層間結合の電気的な観測を試みた。その結果、nmスケールの磁気トンネル接合素子においてカイラル磁気層間結合に起因した反転磁場シフトの観測に成功し、反転磁場シフトおよび反転保磁力の角度依存性からカイラル磁気層間結合の要因である層間ジャロシンスキー・守谷相互作用を定量的に算出することができた。また、今年度は面内磁界プローバーを導入し来年度以降の高いスループットを実現するための環境を整備した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度では、面内磁界プローバーの導入と並行して組成勾配導入による自己誘発スピン軌道トルクの観測に成功・その機構を明らかにすることに加え、微小領域におけるカイラル磁気層間結合現象の観測に成功した。これらの結果は、磁気メモリへ搭載するにあたり書き込み効率を向上や無磁場下での磁化反転を実現する上で重要な知見であり、開発の新たな展開に繋がるものと考えられる。自己誘発スピン軌道トルクに関しての研究成果は、英文学術論文誌への掲載に採択された。また、予想外の成果としてアモルファス構造の非磁性材料において巨大スピンホール効果が発現することを見出し、世界最高レベルの省電力書き込みの実証が得られている。

Strategy for Future Research Activity

今年度導入した面内磁界プローバーを駆使し、当初計画の研究を推進する。自己誘発スピン軌道トルクで得られた知見から、面直磁化膜の磁化反転の可能性やカイラル磁気層間結合を用いた磁化ダイナミクス誘起の可能性を探索する。

Report

(1 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • Research Products

    (5 results)

All 2024 2023

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (4 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results)

  • [Journal Article] Highly Energy‐Efficient Spin‐Orbit‐Torque Magnetoresistive Memory with Amorphous W─Ta─B Alloys2023

    • Author(s)
      Hibino Yuki、Yamamoto Tatsuya、Yakushiji Kay、Taniguchi Tomohiro、Kubota Hitoshi、Yuasa Shinji
    • Journal Title

      Advanced Electronic Materials

      Volume: 10 Issue: 3 Pages: 2300581-2300581

    • DOI

      10.1002/aelm.202300581

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Energy-Efficient SOT-MRAMs Using Spin Hall Effect of Amorphous W-Ta-B Alloys2024

    • Author(s)
      Yuki Hibino, Tatsuya Yamamoto, Tomohiro Taniguchi, Kay Yakushiji, Hitoshi Kubota, Shinji Yuasa
    • Organizer
      International Symposium on Quantum Electronics 2024
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Amorphous W-Ta-B alloys: spin Hall material for energy-efficient SOT-MRAM with high thermal tolerance2024

    • Author(s)
      Yuki Hibino, Tatsuya Yamamoto, Tomohiro Taniguchi, Kay Yakushiji, Hitoshi Kubota, Shinji Yuasa
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Efficient spin-orbit torque magnetization switching using amorphous W-Ta-B Alloy with high thermal tolerance2024

    • Author(s)
      Yuki Hibino, Tatsuya Yamamoto, Tomohiro Taniguchi, Kay Yakushiji, Hitoshi Kubota, Shinji Yuasa
    • Organizer
      International Conference on Magnetism 2024
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Observation of Interlayer Chiral Coupling in Nano-scale Magnetic Tunnel Juncions2023

    • Author(s)
      日比野有岐、山本竜也、五喜田猛彬、谷口知大、千葉大地、湯浅新治
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report

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Published: 2023-04-18   Modified: 2024-12-25  

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