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Thin-film quantum liquid crystals based on topological magnetic structures

Publicly Offered Research

Project AreaPhysical Properties of Quantum Liquid Crystals
Project/Area Number 20H05160
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Science and Engineering
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

松野 丈夫  大阪大学, 理学研究科, 教授 (00443028)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2020: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Keywordsトポロジカル磁気構造 / パルスレーザー堆積法 / ホール効果 / 5d電子系 / DM相互作用
Outline of Research at the Start

ナノスケールのトポロジカル磁気構造である「スキルミオン」を構成単位とした量子液晶の探求を行う.エピタキシャル酸化物界面でのジャロシンスキー-守谷(DM)相互作用に由来するスキルミオン相を元に,パルスレーザー堆積法による薄膜・界面作製技術を駆使した物質開発により量子液晶を具現化する.スキルミオン数密度の指標となるトポロジカルホール効果とその電流密度依存性により,液晶状態におけるスキルミオンのダイナミクスと相互作用を明らかにする.量子液相の新たな自由度としてスキルミオンが加わることにより,普遍性と多様性を通してより大きな量子液晶の理解に到達することを目的とする.

Outline of Annual Research Achievements

強磁性体と強いスピン軌道相互作用を持つ非磁性体からなるエピタキシャル酸化物界面ではジャロシンスキー-守谷(DM)相互作用に由来するスキルミオン相が得られる。薄膜・界面作製技術を駆使した物質開発によりスキルミオンを単位とする量子液晶の具現化を目指し、非磁性体として5d電子系Ir酸化物を用いることで以下の成果を得た。
(1) エピタキシャルSrIrO3薄膜上にスパッタ法により強磁性金属CoFeBを積層し、フォトリソグラフィにより長さ30μm、幅10μmのホールバーを形成した。界面における電流-スピン流変換に起因するスピン軌道トルクを高調波ホール効果により測定し、dampinglike・fieldlike成分の二つに分けて評価した。強磁性体の磁化反転に重要となるdampinglike成分からSrIrO3が参照試料のPtと比較して3倍程度大きい電流-スピン流変換効率を持つことを明らかにした。CoFeBの膜厚依存性がないことから、得られた信号は非磁性体SrIrO3の特性を反映していることが確認できた。
(2) IrO2と強磁性金属Ni81Fe19との積層順序がスピン流物性に与える影響をスピン軌道トルクにより評価した。効率的な電流-スピン流変換に由来する大きなdampinglikeスピン軌道トルクが観測され、非磁性体IrO2を下側に積層した試料が上側に積層した試料より大きいスピン軌道トルクを生成することが明らかとなった。IrO2と強磁性体との界面におけるスピン輸送特性が積層順序に強く影響していることが明らかとなり、5d酸化物のスピン軌道トルクを用いたデバイスの設計指針が得られた。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (14 results)

All 2022 2021 2020

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (13 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 5 results)

  • [Journal Article] Stacking-Order Effect on Spin-Orbit Torque, Spin Hall Magnetoresistance, and Magnetic Anisotropy in Ni81Fe19-IrO2 Bilayers2021

    • Author(s)
      K. Ueda, N. Moriuchi, K. Fukushima, T. Kida, M. Hagiwara, and J. Matsuno
    • Journal Title

      Physical Review Applied

      Volume: 16 Issue: 3

    • DOI

      10.1103/physrevapplied.16.034039

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Spin-orbit torque generation in CoFeB-epitaxial SrIrO3 bilayers2022

    • Author(s)
      S. Hori, K. Ueda, J. Matsuno
    • Organizer
      令和3年度新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 強いスピン-軌道相互作用を持つ強相関薄膜界面の物性と機能2022

    • Author(s)
      松野 丈夫
    • Organizer
      日本中間子科学会「ミュオンで見る磁性・超伝導物質研究の最前線」
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Spin-current generation from 5d transition metal oxides2021

    • Author(s)
      K. Ueda, N. Moriuchi, K. Fukushima, T. Kida, M. Hagiwara, and J. Matsuno
    • Organizer
      MRS-Taiwan International Conference
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] エピタキシャルSrIrO3におけるスピン軌道トルク生成2021

    • Author(s)
      堀 惣介、上田 浩平、木田 孝則、萩原 政幸、松野 丈夫
    • Organizer
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 二層膜Ni81Fe19-IrO2におけるスピン軌道トルクの積層順序効果2021

    • Author(s)
      上田 浩平、木田 孝則、萩原 政幸、松野 丈夫
    • Organizer
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 二層膜Co20Fe60B20/多結晶IrO2 におけるスピン流生成2021

    • Author(s)
      森本 鉄郎、上田 浩平、松野 丈夫
    • Organizer
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 酸化物界面を利用したスピントロニクス2021

    • Author(s)
      上田 浩平、森内 直輝、福島 健太、木田 孝則、萩原 政幸、松野 丈夫
    • Organizer
      第5回固体化学フォーラム研究会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Ni81Fe19/IrO2界面から誘起されるスピン軌道トルク2021

    • Author(s)
      上田浩平, 森内直輝, 福島健太, 木田 孝則, 萩原 政幸, 松野丈夫
    • Organizer
      第68回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] SrIrO3/CoFeB界面における電流-スピン流変換効率2021

    • Author(s)
      堀惣介, 上田浩平, 松野丈夫
    • Organizer
      第68回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 強いスピン-軌道相互作用を持つIrO2のスピン軌道トルク2020

    • Author(s)
      上田浩平, 森内直輝, 福島健太, 木田 孝則, 萩原 政幸, 松野丈夫
    • Organizer
      スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワーク拠点2020年度年次報告会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Emergent Phenomena at Oxide Interfaces with Strong Spin-Orbit Coupling2020

    • Author(s)
      Jobu Matsuno
    • Organizer
      2020 MRS Spring/Fall Meeting
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Substrate strain effect on transport properties of SrIrO3 thin films2020

    • Author(s)
      Hori Sosuke, Kohei Ueda, Jobu Matsuno
    • Organizer
      令和2年度新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] トポロジカル磁気構造に基づく量子液晶を具現する薄膜物質開発2020

    • Author(s)
      松野丈夫
    • Organizer
      新学術領域研究「量子液晶の物性科学」A01班公募研究キックオフミーティング
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2022-12-28  

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