Origin of ferromagnetism at heterointerfaces with charge transfer studied by depth profiling methods using synchrotron-radiation spectroscopy

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H07442
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: 北村 未歩 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 博士研究員 (00783581)
• Project Period (FY): 2016-08-26 – 2018-03-31
• Keywords: 界面磁性 / 酸化物 / 表面・界面 / X線吸収分光 / X線磁気二色性 / 光電子分光 / 放射光

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、酸化物ヘテロ構造における界面電荷移動現象と界面強磁性の関係を明らかにし、界面強磁性発現の起源を解明することを目的として研究を行った。この目的を達成するために、酸化物単結晶基板上にペロブスカイト型遷移金属酸化物のヘテロ構造を作製し、放射光光電子分光・X線吸収分光によって電荷移動の評価を、X線磁気円二色性の測定により、元素選択的な磁化状態の評価を行った。レーザー分子線エピタキシー法を用いて、膜厚を分子層レベルで制御しながら各層の膜厚が異なる複数の積層構造を作製し、膜厚変化に伴うスペクトル形状の系統的な変化を解析した。昨年度ターゲットとしたLaNiO3とLaMnO3のヘテロ界面では、電荷移動とその空間分布が界面強磁性発現の鍵であることを明らかにし、その結果をまとめて国内外の学会で発表し、論文化を進めた。さらに別の界面としてLaFeO3とLaMnO3のヘテロ界面に着目し、同様に放射光分光を駆使して電荷移動と界面強磁性の評価を行った。その結果、LaFeO3とLaMnO3のヘテロ界面では、LaNiO3とLaMnO3のヘテロ界面と異なり電荷移動が起こらず、界面の磁化も誘起されないことが分かった。以上の結果から、電荷移動とその空間分布による遷移金属イオンの価数変化が引き起こす層内及び層間の磁気的な交換相互作用のバランスによって、特異な界面磁性が発現していると結論付けた。さらに、LaNiO3とLaMnO3、LaFeO3とLaMnO3の結果を比較検討することで、界面における電荷移動の有無が、酸素の2p非結合準位を基準とした遷移金属の3d準位の位置関係でよく記述できることを明らかにした。得られた成果をまとめて学会で発表した。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [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): Shibata G.、Kitamura M.、Minohara M.、Yoshimatsu K.、Kadono T.、Ishigami K.、Harano T.、Takahashi Y.、Sakamoto S.、Nonaka Y.、Ikeda K.、Chi Z.、Furuse M.、Fuchino S.、Okano M.、Fujihira J.、Uchida A.、Watanabe K.、Fujihira H.、Fujihira S.、Tanaka A.、Kumigashira H.、Koide T.、Fujimori A.
  • Journal Title: npj Quantum Materials Volume: 3 Pages: 3~3
  • DOI: 10.1038/s41535-018-0077-4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Semimetallic bands derived from interlayer electrons in the quasi-two-dimensional electride Y2C (2017)
  • Author(s): Horiba Koji、Yukawa Ryu、Mitsuhashi Taichi、Kitamura Miho、Inoshita Takeshi、Hamada Noriaki、Otani Shigeki、Ohashi Naoki、Maki Sachiko、Yamaura Jun-ichi、Hosono Hideo、Murakami Youichi、Kumigashira Hiroshi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 96 Pages: 045101~045101
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.045101
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Emergence of Quantum Critical Behavior in Metallic Quantum-Well States of Strongly Correlated Oxides (2017)
  • Author(s): Kobayashi Masaki、Yoshimatsu Kohei、Mitsuhashi Taichi、Kitamura Miho、Sakai Enju、Yukawa Ryu、Minohara Makoto、Fujimori Atsushi、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 7 Pages: 16621~16621
  • DOI: 10.1038/s41598-017-16666-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 遷移金属酸化物の電荷移動界面に発現する強磁性の起源 (2017)
  • Author(s): 北村未歩
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] Origin of interfacial ferromagnetism between perovskite oxides LaNiO3 and LaMnO3 (2017)
  • Author(s): M. Kitamura, K. Horiba, M. Kobayashi, E. Sakai, M. Minohara, R. Yukawa, T. Mitsuhashi, D. Shiga, K. Amemiya, T. Nagai, Y. Nonaka, G. Shibata, A. Fujimori, H. Fujioka, and H. Kumigashira
  • Organizer: IUMRS-ICAM 2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Charge distribution and ferromagnetism at the oxide heterointerface between perovskite oxides LaNiO3 and LaMnO3 (2017)
  • Author(s): M. Kitamura, K. Horiba, M. Kobayashi, E. Sakai, M. Minohara, R. Yukawa, T. Mitsuhashi, D. Shiga, K. Amemiya, T. Nagai, Y. Nonaka, G. Shibata, A. Fujimori, H. Fujioka, and H. Kumigashira
  • Organizer: JSAP Autumn meeting 2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ペロブスカイト遷移金属酸化物LaNiO3/LaMnO3ヘテロ界面における強磁性の起源 (2017)
  • Author(s): 北村未歩、堀場弘司、小林正起、坂井延寿、簔原誠人、湯川龍、志賀大亮、雨宮健太、野中洋亮、芝田悟朗、藤森淳、藤岡洋、組頭広志
  • Organizer: 2017年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [Presentation] ペロブスカイト型遷移金属酸化物へテロ界面における電荷移動のメカニズム (2017)
  • Author(s): 北村未歩、小林正起、簔原誠人、坂井延寿、藤岡洋、堀場弘司、組頭広志
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会