軌道電界制御による革新的磁気デバイスの創成

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H03880
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 三輪 真嗣 東京大学, 物性研究所, 准教授 (20609698)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 南谷 英美 分子科学研究所, 理論・計算分子科学研究領域, 准教授 (00457003)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: スピントロニクス

Outline of Annual Research Achievements

プロジェクト最終年度の令和２年度は各サブテーマに対して、次の事柄を行った。
(A) 3d金属で実験的な機構解明実験がなされていないNiをはじめとした未開拓の材料系の電圧効果を精査し、これまでに行ってきた4d・5d・6p軌道金属の少量ドープに加えて3d金属そのものに対する理解も深めることで、強磁性金属の電圧効果に対する体系的な理解を目指した。具体的にはFe/Ni/MgO系におけるオペランドX線磁気円二色性分光の結果を報告した。これはNiにおいてはCo同様に軌道磁気モーメント機構が支配的であることを強く示唆する内容である。次にFeにV及びAlをドープした超薄膜合金の電圧誘起磁気異方性変調効果を評価した。結果として電圧効果増強は、単にFeに元素ドープを行ってフェルミ準位を変えるだけでは微量しか起きずドープ元素が磁気モーメントを持つときのみ生じることがわかった。本結果は今後さらに電界効果を増強させるためには、MgO等の薄膜誘電体の界面状態を変調することが必要不可欠であることを強く示唆している。
(C) 表面を分子修飾したFeの電子状態を実験及び理論の両方から精査した。これにより分子修飾の効果は疑似的に3 V/nm程度の電界がFe表面に印加されていること、そしてFeの電子状態としてはスピン反転項、すなわち電気四極子効果が効いていることがわかった。別の深さ分解XMCD測定からはFeの軌道磁性の変調は界面1原子層に限定されていること及び電子の界面局在性に起因する電子相関が重要であることもわかった。従って軌道磁気モーメント機構のみでほぼ説明できるCoやNiと異なり磁性元素の中でFeは特殊であること、そしてこの性質を活かした界面磁気異方性及び電界効果材料の設計が今後重要となることが見出された。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Low Gilbert damping in epitaxial thin films of the nodal-line semimetal D03-Fe3Ga (2021)
  • Author(s): S. Sakamoto, T. Higo, S. Tamaru, H. Kubota, K. Yakushiji, S. Nakatsuji, and S. Miwa
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 103 Pages: 165122 (1-5)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.103.165122
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Giant Effective Damping of Octupole Oscillation in an Antiferromagnetic Weyl Semimetal (2021)
  • Author(s): Miwa Shinji、Iihama Satoshi、Nomoto Takuya、Tomita Takahiro、Higo Tomoya、Ikhlas Muhammad、Sakamoto Shoya、Otani YoshiChika、Mizukami Shigemi、Arita Ryotaro、Nakatsuji Satoru
  • Journal Title: Small Science Volume: 1 Pages: 2000062 (1-8)
  • DOI: 10.1002/smsc.202000062
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Large Hall signal due to electrical switching of an antiferromagnetic Weyl semimetal state (2021)
  • Author(s): H. Tsai, T. Higo, K. Kondou, S. Sakamoto, A. Kobayashi, T. Matsuo, S. Miwa, Y. Otani, and S. Nakatsuji
  • Journal Title: Small Science Volume: 1 Pages: 2000025 (1-9)
  • DOI: 10.1002/smsc.202000025
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Spin-orbit torque switching of the antiferromagnetic state in polycrystalline Mn3Sn/Cu/heavy metal heterostructures (2021)
  • Author(s): Tsai Hanshen、Higo Tomoya、Kondou Kouta、Kobayashi Ayuko、Nakano Takafumi、Yakushiji Kay、Miwa Shinji、Otani Yoshichika、Nakatsuji Satoru
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 11 Pages: 045110 (1-6)
  • DOI: 10.1063/9.0000229
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Chirality-induced effective magnetic field in a phthalocyanine molecule (2020)
  • Author(s): Miwa Shinji、Kondou Kouta、Sakamoto Shoya、Nihonyanagi Atsuko、Araoka Fumito、Otani YoshiChika、Miyajima Daigo
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 13 Pages: 113001 (1-4)
  • DOI: 10.35848/1882-0786/abbf67
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Sizable spin-transfer torque in the Bi/Ni80Fe20 bilayer film (2020)
  • Author(s): Matsushima Masayuki、Miwa Shinji、Sakamoto Shoya、Shinjo Teruya、Ohshima Ryo、Ando Yuichiro、Fuseya Yuki、Shiraishi Masashi
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 117 Pages: 042407 (1-4)
  • DOI: 10.1063/5.0009798
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Voltage-controlled magnetic anisotropy in an ultrathin nickel film studied by operando x-ray magnetic circular dichroism spectroscopy (2020)
  • Author(s): Miyakaze Risa、Sakamoto Shoya、Kawabe Takeshi、Tsukahara Takuya、Kotani Yoshinori、Toyoki Kentaro、Nakamura Tetsuya、Goto Minori、Suzuki Yoshishige、Miwa Shinji
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 102 Pages: 014419 (1-6)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.014419
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Control of Spin-Orbit Torques by Interface Engineering in Topological Insulator Heterostructures (2020)
  • Author(s): Bonell Frederic、Goto Minoru、Sauthier Guillaume、Sierra Juan F.、Figueroa Adriana I.、Costache Marius V.、Miwa Shinji、Suzuki Yoshishige、Valenzuela Sergio O.
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 20 Pages: 5893-5899
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c01850
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Iron-based binary ferromagnets for transverse thermoelectric conversion (2020)
  • Author(s): Sakai Akito、Minami Susumu、Koretsune Takashi、Chen Taishi、Higo Tomoya、Wang Yangming、Nomoto Takuya、Hirayama Motoaki、Miwa Shinji、Nishio-Hamane Daisuke、Ishii Fumiyuki、Arita Ryotaro、Nakatsuji Satoru
  • Journal Title: Nature Volume: 581 Pages: 53-57
  • DOI: 10.1038/s41586-020-2230-z
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electrical manipulation of a topological antiferromagnetic state (2020)
  • Author(s): Tsai Hanshen、Higo Tomoya、Kondou Kouta、Nomoto Takuya、Sakai Akito、Kobayashi Ayuko、Nakano Takafumi、Yakushiji Kay、Arita Ryotaro、Miwa Shinji、Otani Yoshichika、Nakatsuji Satoru
  • Journal Title: Nature Volume: 580 Pages: 608-613
  • DOI: 10.1038/s41586-020-2211-2
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 磁気抵抗効果を使ったスピントロニクス現象 (2020)
  • Author(s): 三輪真嗣
  • Journal Title: 電気評論 Volume: 105 Pages: 21-28
• [Presentation] Giant Anomalous Nernst Effect in Nodal Web Ferromagnets Fe3X (X = Ga, Al) (2021)
  • Author(s): A. Sakai, S. Minami, T. Koretsune, T. Chen, T. Higo, Y. Wang, T. Nomoto, M. Hirayama, S. Miwa, D. Nishio-Hamane, F. Ishii, R. Arita, S. Nakatsuji
  • Organizer: APS March Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] D03-Fe3X (X = Ga, Al) 薄膜における巨大な異常ネルンスト効果 (2021)
  • Author(s): 肥後友也, 酒井明人, 三輪真嗣, 中辻知
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Depth profile of the Fe spin and orbital magnetic moments in a V/Fe/MgO trilayer revealed by depth-resolved x-ray magnetic circular dichroism (2021)
  • Author(s): 坂本祥哉, 辻川雅人, 白井正文, 雨宮健太, 三輪真嗣
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] スピントルク強磁性共鳴法によるBi/Ni二層膜におけるスピン流電流変換物性の測定 (2021)
  • Author(s): 福本直輝, 松島真之, 坂本祥哉, 重松英, 大島諒, 安藤裕一郎, 三輪真嗣, 白石誠司
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] スピントロニクスデバイスにおける先端軟X線科学 (2021)
  • Author(s): 三輪真嗣
  • Organizer: ISSP Workshop 2021 先端軟X線科学への基幹技術
  • Invited
• [Presentation] 分子/金属界面のスピントロニクス研究における放射光利用 (2021)
  • Author(s): 三輪真嗣
  • Organizer: SPRUC機能磁性材料分光研究会 2020年度第1回研究会
  • Invited
• [Presentation] Molecular spintronics utilizing a novel metal-organic interface (2020)
  • Author(s): S. Miwa
  • Organizer: 65th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM2020)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Electrical manipulation of an anomalous Hall effect in the Weyl antiferromagnet Mn3Sn (2020)
  • Author(s): 肥後友也, Hanshen Tsai, 近藤浩太, 野本拓也, 酒井明人, 小林鮎子, 中野貴文, 薬師寺啓, 有田亮太郎, 三輪真嗣, 大谷義近, 中辻知
  • Organizer: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 光でみるスピンデバイス物性 (2020)
  • Author(s): 三輪真嗣
  • Organizer: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] Fe3X (X = Ga, Al)における室温巨大異常ネルンスト効果 (2020)
  • Author(s): 酒井明人, 見波将, 是常隆, Taishi Chen, 肥後友也, Yangming Wang, 野本拓也, 平山元昭, 三輪真嗣, 浜根大輔, 石井史之, 有田亮太郎, 中辻知
  • Organizer: 日本物理学会2020秋季大会
• [Presentation] Spin-orbit torque switching in a topological antiferromagnets Mn3Sn at room temperature (2020)
  • Author(s): Hanshen Tsai, 肥後友也, 近藤浩太, 野本拓也, 酒井明人, 有田亮太郎, 小林鮎子, 中野貴文, 薬師寺啓, 有田亮太郎, 三輪真嗣, 大谷義近, 中辻知
  • Organizer: 日本物理学会2020秋季大会
• [Remarks] 東京大学物性研究所 三輪研究室
  • URL: https://miwa.issp.u-tokyo.ac.jp/
• [Remarks] 分子科学研究所 南谷グループ
  • URL: https://www.ims.ac.jp/research/group/minamitani/