2020 Fiscal Year Annual Research Report
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19J23587
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
中根 丈太郎 名古屋大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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| Keywords | スピントロニクス / 反強磁性体 / 微小領域磁性 / スピン流 / 理論 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は反強磁性体における磁化ダイナミクスを微視的理論を用いて調べることである。特に、電流を用いた反強磁性体磁壁の駆動を微視的モデルから出発して理解することを目標とする。これまでの先行研究では、対称性の観点から反強磁性体におけるスピン移行トルクやベータトルク、ダンピングトルクなどの存在が議論されてきた。また、反強磁性磁壁駆動にはベータトルクが主な寄与をなすことが知られている。しかし、反強磁性体における磁壁駆動の理論の多くは現象論で、電流を印加したときの磁壁の進行方向や進行速度については予言能力がない。
第２年度は、反強磁性体の磁化ダイナミクスの理論を整備して、電流によるトルクの微視的計算に取りかかった。まず、前者については、反強磁性磁壁の磁場駆動を念頭に理論を構築し整理した。磁化のネール成分の空間変化により磁化の一様成分が生じるという海外の先行研究の間違った結論を正して、物理的に正しい一様磁化の表式を導いた。この表式を用いて、理論を簡明な形に再定式化した。これは、今後の理論展開にとって基本的に重要な進展である。また、磁場駆動の新しい原理を見出した。これらのことを論文にまとめ、JPSJに掲載された。
後者（トルクの微視的計算）については、スピン移行効果とその散逸補正を微視的に計算し、強磁性体の場合とは符号（向き）が反対であること、すなわち磁壁は電流の向きに移動することを見出した。これは、電子輸送が反強磁性的であることによる。この結果は、フェリ磁性体GdFeCoの角運動量補償点近傍で報告されている実験結果をうまく説明する。また、磁化の減衰定数の計算も行った。これらについてLetterとしてまとめPhys. Rev. Bに投稿し、受理された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
第２年度は、反強磁性体の磁化ダイナミクスの理論を整備して、電流によるトルクの微視的計算に取りかかった。まず、前者については、反強磁性磁壁の磁場駆動を念頭に理論を構築し整理した。磁化のネール成分の空間変化により磁化の一様成分が生じるという海外の先行研究の間違った結論を正して、物理的に正しい一様磁化の表式を導いた。この表式を用いて、理論を簡明な形に再定式化した。これは、今後の理論展開にとって基本的に重要な進展である。また、磁場駆動の新しい原理を見出した。これらのことを論文にまとめ、JPSJに掲載された。
後者（トルクの微視的計算）については、スピン移行効果とその散逸補正を微視的に計算し、強磁性体の場合とは符号（向き）が反対であること、すなわち磁壁は電流の向きに移動することを見出した。これは、電子輸送が反強磁性的であることによる。この結果は、フェリ磁性体GdFeCoの角運動量補償点近傍で報告されている実験結果をうまく説明する。また、磁化の減衰定数の計算も行った。これらについてLetterとしてまとめPhys. Rev. Bに投稿し、受理された。
以上の研究は、すべて申請者が主体的に進めたものである。とくに反強磁性体における電流誘起トルクの微視的計算は、特筆すべき成果であると考える。実験結果をうまく説明できることは期待以上の成果であった。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究ではこれまで反強磁性磁壁の磁場による駆動と電流による駆動を調べてきた。磁場による駆動では、非一様磁場がある時に、磁壁はダンピングを通じてより磁場が強い方向へ移動することが分かった。また、磁壁位置は時間の関数として指数関数的に増加することが分かった。この奇妙な磁壁の運動はAFスピンのシミュレーションでも確かめられている。磁場による磁壁駆動の論文は査読付きジャーナルに投稿し、掲載された。[J. J. Nakane, H. Kohno, J. Phys. Soc. Jpn. 90, 034702 (2021).] 次に本研究では電流による磁壁駆動を微視的モデルから調べた。まずは磁壁駆動に効くとされているスピン移行トルク、ベータトルク、ダンピングトルクを微視的計算から求め、磁壁駆動速度を微視的パラメーターから求めた。すると、磁壁速度が強磁性と比べて逆方向に磁壁が進むことが判明した。また、電流とスピン移行トルクの比が強磁性体と比べて非常に大きくなりうることが分かった。本研究の結果は、京都大学の小野先生のグループにおける実験[T. Okuno et al., Nat. Electron. 2, 389 (2019)]で調べられたフェリ磁性体の角運動量補償温度における電流誘起磁壁ダイナミクスをうまく説明している。
第三年度の研究実行計画として、本研究ではスピン移行トルクとベータトルク以外のトルク（一様成分の微分の項があるトルクなど）を調べる。また、タイトバインディングモデルにおける次近接ホッピングの効果を調べる。ほかには、磁壁以外にもスキルミオンの電流駆動を調べ、査読付きジャーナルに論文を投稿する。
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