2018 Fiscal Year Annual Research Report
Renaissance of Metallic Superlattices
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18H05246
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
高梨 弘毅 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (00187981)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
伊藤 啓太 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (70791763)
関 剛斎 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (40579611)
内田 健一 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, グループリーダー (50633541)
白井 正文 東北大学, 電気通信研究所, 教授 (70221306)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | スピントロニクス / 金属人工格子 / 反強磁性 / スピン軌道相互作用 / スピンカロリトロニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、①スピンオービトロニクス、②反強磁性スピントロニクス、および③スピンカロリトロニクスの各研究項目について、以下の研究内容を実施した。
①スピンオービトロニクス：界面磁気異方性とスピン軌道トルクとの相関性を解明するために「非磁性層１ / 強磁性層 / 非磁性層２」の３層構造を基本とし、系統的な実験を実施した。具体的には、層厚を変化させたPd/Co/Pt積層膜をスパッタ法により作製し、磁化曲線から界面磁気異方性および誘導磁気モーメントを見積ったところ、これらの値に相関が見られた。さらに、この薄膜を微細加工しスピン軌道トルクを定量評価した。並行して分子線エピタキシー法によりW/Fe/W積層構造を作製し、エピタキシャル成長を確認した。
②反強磁性スピントロニクス：反強磁性構造のための層間交換結合を示し且つスピンホール効果の大きな非磁性層材料を探索した。Ir添加したCu を非磁性中間層としたCo/Cu-Ir/Coにおいて、反強磁性結合を示すCu-Ir層厚を明らかにした。また、Co/Cu/Co積層構造との比較を行うことで、Ir添加が結合強度に及ぼす効果について検討した。さらに、これらの薄膜試料を微細加工し、異方性磁気抵抗効果およびスピンホール磁気抵抗効果を測定し、Ir添加による変化を調べた。
③スピンカロリトロニクス：熱流磁気効果に対する界面効果およびナノ積層効果を理解することを目的として、本年度は強磁性層にNi、非磁性層に大きな誘導磁気モーメントが発生するPtを選択した。Ni/Pt人工格子が垂直磁化膜となり、FePt規則合金に匹敵する異常エッティングスハウゼン効果および異常ネルンスト効果を示すことが明らかとなった。また、第一原理計算と比較した結果、結晶の歪みが垂直磁気異方性の起源であることが示唆された。さらに、分子動力学計算によってフォノン熱伝導の異方性について検討した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成30年度の研究内容に関して、研究項目毎に以下の内容を当初計画した。
①スピンオービトロニクス：非磁性層１／強磁性層／非磁性層２における界面磁気異方性とスピン軌道トルクの相関性の解明
②反強磁性スピントロニクス：反強磁性交換結合と大きなスピン軌道トルクを両立できる強磁性層／非磁性層／強磁性層構造の探索
③スピンカロリトロニクス：大きな誘導磁気モーメントを有する金属人工格子における熱流磁気効果
今年度は、Pd/Co/Pt積層膜において界面磁気異方性とスピン軌道トルクの相関性に関する知見が得られ、またCo/Cu-Ir系において反強磁性結合を実現し、さらにNi/Pt系における大きな熱流磁気効果の観測などの成果も得られた。よって、今年度の研究実施内容は計画を概ね達成するものであり、研究は順調に進展しているものと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
①スピンオービトロニクス：引き続き「非磁性層１／強磁性層／非磁性層２」の３層構造を基本として、層厚や材料を様々に変えた系統的実験を行う。特に、これまで取り組んできたPd / Co / Pt系において、誘導磁気モーメントと界面磁気異方性、さらにはスピン軌道トルクの相関に焦点を絞って研究を進める。実験結果を第一原理計算と比較し、相関性について議論する。
②反強磁性スピントロニクス：「強磁性層／非磁性層／強磁性層」の３層構造を基本として、反強磁性構造のための層間交換結合と磁化スイッチングのための大きなスピン軌道トルクを両立できる非磁性層材料の探索を継続する。Co／Cu-Ir／Coにおける反強磁性結合およびスピンホール効果の研究内容を継続するとともに、Bi 添加のCuやPtなど他の材料系への拡張を行う。これらの材料探索と並行して、Co／Cu-Ir系人工格子において面内電流による磁化スイッチングの観測を試みる。
③スピンカロリトロニクス：金属人工格子における異常ネルンスト効果を調べることで、異常ネルンスト効果に対する界面効果およびナノ積層効果を明らかにする。Ni / Pt系多層膜におけるネルンスト効果の実験を継続し、強磁性層の物質をCo、非強磁性層の物質をPdやCuなどに変化させた試料との比較も行うことで、機構の解明を目指す。さらに、計算機シミュレーションによりナノスケールでの熱伝導を理解し、性能指数（ZT）を増大させるための指導原理を探索する。
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