Magnetic anisotropy and electron orbitals in magnetic thin films and multilayers studied by angle-dependent x-ray magnetic circular dichroism

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15K17696
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 芝田 悟朗 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (20747026)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 磁気異方性 / 薄膜 / 強磁性体 / X線磁気円二色性 / 遷移金属化合物 / 軌道磁気モーメント / 電子軌道

Outline of Annual Research Achievements

・L10型FePt合金や(Ba,K)(Zn,Mn)2As2といった、垂直磁気異方性を示すいくつかの強磁性体に対して新たに磁場角度依存X線磁気円二色性(XMCD)の実験を行った。前年度までに行った(La,Sr)MnO3薄膜の場合と同様に、磁性原子内での電子軌道の形状が異方的になっていることが示され、これが垂直磁気異方性の起源に関わっている可能性が示唆された。
・同じく垂直磁気異方性を示すスピネル型酸化物強磁性体CoFe2O4の薄膜について、薄膜上下の界面における磁気的不活性層の成因をXMCDスペクトルとモデル計算との詳細な比較により調べた。その結果、特に膜厚を減らした薄膜において、一部のCoイオンおよびFeイオンの結晶内における位置が期待とは逆になっていることが示され、磁気的不活性層がこれにより生じていることを示唆する結果となった。
・トポロジカル絶縁体などとの関連から近年注目を集めている2次元（層状）強磁性体の一つ、Cr2Ge2Te6に対してXMCD測定を世界に先駆けて行い、磁場方向が層に平行な場合と垂直な場合とでスペクトル形状に大きな異方性が現れることを示した。現在、モデル計算によりこの結果を説明することを試みている。
・研究期間全体を通じて、ベクトルマグネットXMCD装置の改良により、従来以上に精密な磁場角度依存XMCDの実験を行うことができるようになった。また、この手法を用いて強磁性体中の電子軌道の占有状態を調べるための具体的な方法論を確立した。さらに、磁性薄膜の磁気異方性を議論するためには、従来考えられていた軌道磁気モーメントの異方性だけでなく、電子軌道の異方性をも考慮に入れなければならないことを実験的に示した。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Rutgers University/Western Digital(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Rutgers University/Western Digital
• [Int'l Joint Research] Max Planck Institute(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: Max Planck Institute
• [Journal Article] Anisotropic spin-density distribution and magnetic anisotropy of strained La1-xSrxMnO3 thin films: angle-dependent x-ray magnetic circular dichroism (2018)
  • Author(s): G. Shibata, M. Kitamura, M. Minohara, K. Yoshimatsu, T. Kadono, K. Ishigami, T. Harano, M. Furuse, M. Okano, J.-i. Fujihira, S. Fujihira, A. Tanaka, H. Kumigashira, T. Koide, and A. Fujimori et al. (他9名)
  • Journal Title: npj Quantum Materials Volume: 3 Pages: 3--1-6
  • DOI: 10.1038/s41535-018-0077-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Magnetic anisotropy of L10-ordered FePt thin films studied by Fe and Pt L2,3-edges x-ray magnetic circular dichroism (2017)
  • Author(s): K. Ikeda, T. Seki, G. Shibata, T. Kadono, K. Ishigami, Y. Takahashi, M. Horio, S. Sakamoto, Y. Nonaka, M. Sakamaki, K. Amemiya, N. Kawamura, M. Suzuki, K. Takanashi, and A. Fujimori
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 111 Pages: 142402--1-5
  • DOI: 10.1063/1.4993077
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of cobalt substitution in L10-(Fe,Co)Pt thin films (2017)
  • Author(s): S. Sakamoto, K. Srinivasan, R. Zhang, O. Krupin, K. Ikeda, G. Shibata, Y. Nonaka, Z. Chi, M. Sakamaki, K. Amemiya, A. Fujimori, and A. Ajan
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 96 Pages: 144437--1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.96.144437
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Electronic structure and magnetic properties of magnetically dead layers in epitaxial CoFe2O4/Al2O3/Si(111) films studied by x-ray magnetic circular dichroism (2017)
  • Author(s): Y. K. Wakabayashi, Y. Nonaka, Y. Takeda, S. Sakamoto, K. Ikeda, Z. Chi, G. Shibata, A. Tanaka, Y. Saitoh, H. Yamagami, M. Tanaka, A. Fujimori, and R. Nakane
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 96 Pages: 104410--1-11
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.96.104410
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Orbital magnetic moment anisotropy at ferromagnet/heavy metal heterostructures studied by x-ray magnetic circular dichroism (2018)
  • Author(s): Z. Chi, G. Shibata, S. Sakamoto, Y. Nonaka, K. Ikeda, Y.-X. Wan, Masahiro Suzuki, N. Kawamura, M. Mizumaki, Motohiro Suzuki, M. Sakamaki, K. Amemiya, Y.-C. Lau, M. Hayashi, and A. Fujimori
  • Organizer: Max Planck-UBC-UTokyo School for Quantum Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Magnetic field angle-dependent XMCD study of L10-ordered FePt thin films with perpendicular magnetic anisotropy (2018)
  • Author(s): K. Ikeda, T. Seki, G. Shibata, S. Sakamoto, Y. Nonaka, Z. Chi, Y.-X. Wan, M. Suzuki, M. Sakamaki, K. Amemiya, K. Takanashi, and A. Fujimori
  • Organizer: Max Planck-UBC-UTokyo School for Quantum Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Magnetically-induced anisotropic charge distribution in La1-xSrxMnO3 thin films revealed by x-ray magnetic linear dichroism (2018)
  • Author(s): G. Shibata, K. Yoshimatsu, K. Ishigami, T. Harano, Y. Takahashi, S. Sakamoto, Y. Nonaka, T. Kadono, M. Furuse, S. Fuchino, M. Okano, J.-i. Fujihira, A. Uchida, K. Watanabe, H. Fujihira, S. Fujihira, A. Tanaka, H. Kumigashira, T. Koide, and A. Fujimori
  • Organizer: 18-th Taiwan-Japan-Korea Symposium on Strongly Correlated Electron Systems (TJK18)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Magnetic field angle-dependent XMCD study of L10-ordered FePt thin films with perpendicular magnetic anisotropy (2018)
  • Author(s): K. Ikeda, T. Seki, G. Shibata, S. Sakamoto, Y. Nonaka, Z. Chi, Y.-X. Wan, M. Suzuki, M. Sakamaki, K. Amemiya, K. Takanashi, and A. Fujimori
  • Organizer: 18-th Taiwan-Japan-Korea Symposium on Strongly Correlated Electron Systems (TJK18)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 双晶化を抑制したマグネタイトFe3O4薄膜の磁場角度依存XMCDで探るVerwey転移の軌道秩序 (2018)
  • Author(s): 野中洋亮、C. F. Chang、芝田悟朗、X. Liu、坂本祥哉、池田啓祐、池震棟、田中新、酒巻真粧子、雨宮健太、L. H. Tjeng、藤森淳
  • Organizer: 第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] X線磁気円二色性によるL10秩序型FePt薄膜の垂直磁気異方性の研究 (2018)
  • Author(s): 池田啓祐、関剛斎、芝田悟朗、坂本祥哉、野中洋亮、池震棟、万宇軒、鈴木雅弘、酒巻真粧子、雨宮健太、高梨弘毅、藤森淳
  • Organizer: 第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] Orbital magnetic moment at ferromagnet/heavy metal heterointerfaces studied by x-ray magnetic circular dichroism (2018)
  • Author(s): Z. Chi, G. Shibata, S. Sakamoto, Y. Nonaka, K. Ikeda, Y.-X. Wan, Masahiro Suzuki, N. Kawamura, M. Mizumaki, Motohiro Suzuki, M. Sakamaki, K. Amemiya, Y. Lau, M. Hayashi, and A. Fujimori
  • Organizer: 第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] ファンデルワールス強磁性体Cr2Ge2Te6の角度分解光電子分光と磁気円二色性 (2018)
  • Author(s): 鈴木雅弘、B. Gao、芝田悟朗、坂本祥哉、輿石佳佑、野中洋亮、池田啓祐、池震棟、中田勝、萩原健太、林春、万宇軒、組頭広志、小野寛太、小林正起、S-W. Cheong、藤森淳
  • Organizer: 第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] XMCDによるFeドープ強磁性半導体の磁化過程の研究 (2018)
  • Author(s): 坂本祥哉、Le Duc Anh、Nguyen Thanh Tu、Pham Nam Hai、竹田幸治、小林正起、中根了昌、芝田悟朗、若林勇希、高橋文雄、野中洋亮、池田啓祐、池震棟、万宇軒、鈴木雅弘、斎藤祐児、山上浩志、小出常晴、田中雅明、藤森淳
  • Organizer: 「スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワーク」シンポジウム
• [Presentation] Si(111)面上に作製したCoFe2O4薄膜の膜厚に依存した磁気異方性の変化 (2018)
  • Author(s): 野中洋亮、若林勇希、芝田悟朗、坂本祥哉、池田啓祐、池震棟、酒巻真粧子、雨宮健太、田中雅明、中根了昌、藤森淳
  • Organizer: 2017年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [Presentation] X線磁気円二色性で探るCoFe2O4/Al2O3/Si(111)構造の界面における磁気的デッドレイヤーの起源とその修復 (2018)
  • Author(s): 野中洋亮、若林勇希、芝田悟朗、坂本祥哉、池田啓祐、池震棟、万宇軒、鈴木雅弘、 酒巻真粧子、雨宮健太、田中雅明、中根了昌、藤森淳
  • Organizer: ISSP-Workshop「SPring-8 BL07LSUの現状と次世代軟X線科学創成への戦略」
• [Presentation] Fe L端磁場角度依存XMCDによるL10-FePt薄膜の結晶磁気異方性の研究 (2018)
  • Author(s): 池田啓祐、関剛斎、芝田悟朗、坂本祥哉、野中洋亮、池震棟、万宇軒、鈴木雅弘、酒巻真粧子、雨宮健太、高梨弘毅、藤森淳
  • Organizer: ISSP-Workshop「SPring-8 BL07LSUの現状と次世代軟X線科学創成への戦略」
• [Presentation] Magnetic field angle-dependent XMCD study of L10-ordered FePt thin films with perpendicular magnetic anisotropy (2018)
  • Author(s): 池田啓祐、関剛斎、芝田悟朗、坂本祥哉、野中洋亮、池震棟、万宇軒、鈴木雅弘、酒巻真粧子、雨宮健太、高梨弘毅、藤森淳
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] X線磁気直線二色性によるLa1-xSrxMnO3薄膜中の磁化誘起異方的電荷分布の観測 (2018)
  • Author(s): 芝田悟朗、吉松公平、石上啓介、原野貴幸、高橋文雄、坂本祥哉、野中洋亮、門野利治、古瀬充穂、淵野修一郎、岡野眞、藤平潤一、内田公、渡邊和訓、藤平秀幸、藤平誠一、田中新、組頭広志、小出常晴、藤森淳
  • Organizer: 第73回日本物理学会年次大会
• [Presentation] Van der Waals 強磁性体 Cr2Ge2Te6 及びFe3GeTe2のARPES (2018)
  • Author(s): 鈴木雅弘、Bin Gao、Alemayehu Solomon、芝田悟朗、坂本祥哉、輿石佳佑、野中洋亮、池田啓祐、池震棟、中田勝、萩原健太、林春, 万宇軒, 堀場弘司、小野寛太、組頭広志、出田真一郎、田中清尚、小林正起、Sang-Wook Cheong、藤森淳
  • Organizer: 第73回日本物理学会年次大会
• [Presentation] Soft x-ray spectroscopy and first-principles calculation studies of the electronic structure of the novel high-TC ferromagnetic semiconductor (Ga,Fe)Sb (2017)
  • Author(s): S. Sakamoto, N. Tu, Y. Takeda, S. Fujimori, P. Hai, L. Anh, Y. K. Wakabayashi, G. Shibata, M. Horio, K. Ikeda, Y. Saitoh, H. Yamagami, M. Tanaka, and A. Fujimori
  • Organizer: IEEE International Magnetics Conference (INTERMAG Europe 2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Magnetic anisotropy and anisotropic spin-density distribution in strained La1-xSrxMnO3 thin films revealed by angle-dependent XMCD (2017)
  • Author(s): G. Shibata, M. Kitamura, M. Minohara, K. Yoshimatsu, T. Kadono, K. Ishigami, T. Harano, M. Furuse, M. Okano, J.-i. Fujihira, S. Fujihira, H. Kumigashira, T. Koide, and A. Fujimori et al. (他9名)
  • Organizer: IUMRS-ICAM 2017 (15-th International Conference on Advanced Materials)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Anisotropic spin-density distribution in strained La1-xSrxMnO3 thin films revealed by angle-dependent XMCD (2017)
  • Author(s): G. Shibata, M. Kitamura, M. Minohara, K. Yoshimatsu, T. Kadono, K. Ishigami, T. Harano, M. Furuse, M. Okano, J.-i. Fujihira, S. Fujihira, H. Kumigashira, T. Koide, and A. Fujimori et al. (他9名)
  • Organizer: Junjiro Kanamori Memorial International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] XMCD study on large perpendicular magnetic anisotropy of the new ferromagnetic semiconductor (Ba,K)(Zn,Mn)2As2 single crystal (2017)
  • Author(s): S. Sakamoto, G. Q. Zhao, G. Shibata, Z. Deng, K. Zhao, B. J. Chen, Y. Nonaka, K. Ikeda, Z. Chi, Y.-X. Wan, M. Suzuki, T. Koide, S. Maekawa, Y. J. Uemura, C. Q. Jin, and A. Fujimori
  • Organizer: Junjiro Kanamori Memorial International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cation distribution at the interface of epitaxial CoFe2O4/Al2O3/Si(111) films studied by x-ray magnetic circular dichroism (2017)
  • Author(s): Y. Nonaka, Y. K. Wakabayashi, G. Shibata, Y. Takeda, S. Sakamoto, K. Ikeda, Z. Chi, A. Tanaka, Y. Saitoh, H. Yamagami, M. Tanaka, R. Nakane, and A. Fujimori
  • Organizer: Junjiro Kanamori Memorial International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Anisotropic orbital magnetic moments in L10-ordered FePt thin films studied by Fe and Pt L2,3-edge x-ray magnetic circular dichroism (2017)
  • Author(s): K. Ikeda, T. Seki, G. Shibata, T. Kadono, K. Ishigami, Y. Takahashi, M. Horio, S. Sakamoto, Y. Nonaka, M. Sakamaki, K. Amemiya, N. Kawamura, M. Suzuki, K. Takanashi, and A. Fujimori
  • Organizer: Junjiro Kanamori Memorial International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Orbital magnetic moment and Dzyloshinskii-Moriya interaction in Co-heavy metal heterostructures (2017)
  • Author(s): Z. Chi, G. Shibata, S. Sakamoto, Y. Nonaka, K. Ikeda, Y.-X. Wan, Masahiro Suzuki, N. Kawamura, M. Mizumaki, Motohiro Suzuki, M. Sakamaki, K. Amemiya, Y.-C. Lau, M. Hayashi, and A. Fujimori
  • Organizer: Junjiro Kanamori Memorial International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Large perpendicular magnetic anisotropy of the new ferromagnetic semiconductor (Ba,K)(Zn,Mn)2As2 single crystal (2017)
  • Author(s): S. Sakamoto, G. Zhao, G. Shibata, Z. Deng, K. Zhao, B. Chen, Y. Nonaka, K. Ikeda, Z. Chi, Y.-X. Wan, M. Suzuki, T. Koide, S. Maekawa, Y. Uemura, C. Q. Jin, and A. Fujimori
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季講演会
• [Presentation] Orbital magnetic moment of heavy metals in Co-heavy metal heterostructures studied by x-ray magnetic circular dichroism (2017)
  • Author(s): Z. Chi, G. Shibata, S. Sakamoto, Y. Nonaka, K. Ikeda, Y.-X. Wan, Masahiro Suzuki, N. Kawamura, M. Mizumaki, Motohiro Suzuki, M. Sakamaki, K. Amemiya, Y. Lau, M. Hayashi, and A. Fujimori
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季講演会
• [Presentation] 角度依存XMCDにより明らかにしたLa1-xSrxMnO3薄膜のスピン分布異方性 (2017)
  • Author(s): 芝田悟朗
  • Organizer: 日本放射光学会第9回若手研究会「最先端のパルス光で見る超高速科学」
• [Presentation] Fe, Pt L端XMCDにより観測したL10秩序型FePt薄膜の磁気モーメントの異方性 (2017)
  • Author(s): 池田啓祐
  • Organizer: 日本放射光学会第9回若手研究会「最先端のパルス光で見る超高速科学」
• [Presentation] Si(111)基板上に作製したスピネルフェライトCoFe2O4薄膜の角度依存XMCD (2017)
  • Author(s): 野中洋亮、若林勇希、芝田悟朗、竹田幸治、坂本祥哉、池田啓祐、池震棟、田中新、斎藤祐児、山上浩志、酒巻真粧子、雨宮健太、田中雅明、中根了昌、藤森淳
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] 磁場角度依存XMCDによるL10-FePt薄膜の磁気異方性の研究 (2017)
  • Author(s): 池田啓祐、芝田悟朗、関剛斎、坂本祥哉、野中洋亮、池震棟、万宇軒、鈴木雅弘、酒巻真粧子、雨宮健太、高梨弘毅、藤森淳
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] van der Waals強磁性体Cr2Ge2Te6のARPESおよびXMCDの測定 (2017)
  • Author(s): 鈴木雅弘、B. Gao、芝田悟朗、坂本祥哉、輿石佳佑、野中洋亮、池田啓祐、池震棟、中田勝、萩原健太、林春、万宇軒、組頭広志、小野寛太、小林正起、S-W. Cheong、藤森淳
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会