2021 Fiscal Year Annual Research Report
Nitride based coherent heterostructures for efficient spin-orbit torque magnetization switching
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19K04499
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
磯上 慎二 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 (10586853)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
末益 崇 筑波大学, 数理物質系, 教授 (40282339)
角田 匡清 東北大学, 工学研究科, 准教授 (80250702)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 電流誘起磁化反転 / マンガン窒化物薄膜 / 磁気構造 / トポロジー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
電流誘起磁化反転に要する臨界電流密度（Jc）の大幅な低減のため，Mn基窒化物薄膜の開発と反転特性評価実験を行った．当初はスピン軌道トルクによる電流誘起磁化反転を狙うため，Ptなどのスピンホール材料とのヘテロ接合素子を用いる計画であったが，最終的にスピンホール材料を不要としMn基窒化物薄膜単一層にて磁化反転できることを新しく実証した（期待を上回る成果）．また，電流誘起磁化反転素子で標準となっているCoFeB磁性膜の場合に比べて約１桁程度小さい1 MA/cm2以下のJcで磁化反転できることを実証した．これは磁気メモリ素子を想定した場合，ヘテロ接合素子あるいは強磁性トンネル素子などのデバイスが不要となるため，従来に無いシンプルな構造で高集積性の向上に直結する意義のある成果である．単一磁性層の自己誘導トルクに関しては，反強磁性層，強磁性層，フェリ磁性層のいずれにおいても報告されていることを鑑みると，本研究のMn基窒化物薄膜で観測された結果は物理的に説明できる可能性がある．そこで，磁気構造解明を目的としたトポロジカルホール効果の測定を実施した．その結果，Mn基窒化物薄膜の磁化過程では説明できない成分が異常ホール信号に重畳していることが判った．これはMn磁気モーメントの面内非共線構造を裏付けていることから，このような磁気構造が高効率かつ単一層での電流誘起磁化反転を誘発したものと結論づけた．非共線型磁気構造はスキルミオン格子などの特異な磁区構造の発現に寄与するため，将来の大規模量子情報に対応したストレージ技術に貢献できる可能性があり，その電流制御，温度制御，ダイナミクスに関する研究が行われている．本研究で明らかになったMn基窒化物薄膜における磁気構造の優れた操作性を鑑みると，今後の展開として，そのような分野に貢献できるものと期待される．
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