2019 Fiscal Year Annual Research Report
Designing spin-Hall effect based on even-odd parity hybridization of electron orbitals
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19H02604
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
小塚 裕介 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, 主任研究員 (70580372)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | スピンホール効果 / スピン軌道相互作用 / 酸化物エレクトロニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では遷移金属酸化物におけるスピンホール効果を系統的に調べることにより、酸化物イオン軌道の混成がスピンホール効果に与える影響を明らかにすることが目的である。その目的達成のため、本年度は代表的なペロブスカイト型酸化物薄膜の作製条件の最適化を行い、スピンホール効果を評価するための電気測定を行った。酸化物薄膜の作製はパルスレーザー堆積法を用い、Cu, Ru, Irを含むペロブスカイト型（Cuに関してはK2NiO4構造の物質）酸化物を作製した。X線回折や電気測定により、いずれの物質もこれまでの報告されている物性と遜色はない品質の薄膜が作製されていることを確認した。スピンホール効果の評価には隣接する磁性体に働くスピン軌道トルクを検出するため、交流信号に対するプレーナーホール効果の２次高調波の面内磁場依存性によって行った。最も単純な強磁性体としてCoを酸化物薄膜上にパルスレーザー堆積法によって積層した試料を用いた。その結果、Cu、Ru酸化物に関してはスピン軌道トルクを示す２次高調波は観測されなかった。一方、Ir酸化物では２次高調波が観測された。しかしながら、２次高調波の大きさは磁場に比例し、スピン軌道トルクによる磁場依存性とは異なり、別の機構に由来することが示唆される結果を得た。磁場に比例する２次高調波はスピンホール効果の非線形な電場依存成分に由来することが知られており、非自明なバンド交差点がフェルミ準位付近に存在することで引き起こされることが近年明らかとなっている。このプレーナーホール効果の２次高調波成分はスピンホール効果のみならず、極めて大きなスピンホール効果を発現する要因となるバンド交差点から生じるベリー位相を検知する新たな手法として用いることが期待できる。
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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
本年度は、ペロブスカイト型の遷移金属酸化物薄膜の作製条件の最適化を行い、酸化物薄膜と隣接する磁性体中のスピンに働くトルク（スピン軌道トルク）の検出手法の確立を行うことを目的としていた。ペロブスカイト型遷移金属酸化物としてCu、Ru、Irを含む遷移金属酸化物をパルスレーザー堆積法によって作製し、物質作製に関しては予定通り進んでいる。さらに、約2nmの厚みのCo薄膜をこれらの酸化物薄膜上に積層し、隣接する酸化物層への拡散はほとんど無いことを透過電子顕微鏡によって確認した。また、磁化測定によりCo層が面内磁化を持っていることを確認した。以上により、酸化物層からCo層へ及ぼすスピン軌道トルク検出が可能な試料が作製可能となり、順調に進展していると判断される。測定に関しては、交流励起に対してプレーナーホール効果の２次高調波によってスピン軌道トルクを検出する測定系の立ち上げを予定通り行った。特に、Ir酸化物では２次高調波が観測された。一方、磁場依存性に基づいて解析を行うと、２次高調波成分はスピン軌道トルクに由来する成分ではないことが明らかとなった。そのため今年度以降、スピン軌道トルクが磁性体のスピンに働く積層構造の作製を行っていくことが課題となる。しかしながら、２次高調波成分はバンド交差点の非自明なバンド構造に由来するスピンホール効果の非線形成分であることが明らかになり、元々の計画には無かった新たな知見を得られることとなった。バンド交差点は大きなスピンホール効果を得るために非常に有利であることが知られており、元の計画とは別の観点でのスピンホール効果の評価法として本年度も続けて他の物資においても観測を目指す。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は物質固有のスピン軌道相互作用の強さを評価するための手法として、非線形スピンホール効果の測定手法の確立を目指す。前年度、いくつかのペロブスカイト型導電性酸化物薄膜の作製条件の最適化を行った。また、スピンホール効果の大きさを評価するため交流プレーナーホール効果の測定を行った。その結果、SrIrO3薄膜において強いスピン軌道相互作用に由来する2次高調波成分が観測され、スピンホール効果が非線形に現れている端緒を得た。この非線形スピンホール効果は非自明なトポロジーを持つバンド構造に由来すると考えられ、スピン軌道相互作用スピンホール効果の大きさを評価する新たな手法として用いることができると期待される。本年度は、非線形スピンホール効果の大きさを様々 なペロブスカイト型酸化物において測定し、その大きさを決定する要因を見出すことを目的とする。そのため、バンド計算の結果を照らし合わせ、効果が大きくなる物質について元素を系統的に変化させ、理論と実験との整合を得ることを狙う。さらに本研究の目的である効率的な磁性体の磁化反転につなげるため、非線形スピンホール効果の大きな物質と強磁性体の接合を作製する。これまで、強磁性体として最もシンプルなCoを用い、酸化物/Co界面におけるスピン軌道トルクの測定を行ってきたが、大きなトルクが働いている測定結果は得られていない。界面でのスピン散乱の可能性があるため、ペロブスカイト型強磁性酸化物を用いてエピタキシャル界面を作製し、スピン軌道トルク測定を進めていく。
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Research Products
(2 results)
