2019 Fiscal Year Research-status Report
鉄薄膜界面の電子状態変化による界面磁気構造・相転移の制御
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19K05261
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
河内 泰三 東京大学, 生産技術研究所, 技術専門職員 (80401280)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三浦 良雄 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 (10361198)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 表面界面磁性 / 磁気相転移 / ノンコリニア磁気構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
磁性体表面及び界面は対称性がさがるため、界面ノンコリニア磁気構造に関する磁気異方性や磁気相転移を調べることに先立って、接合基板との相互作用を考慮しない単純化した系として、まず表面磁性を扱うために単結晶酸化鉄Ｆｅ３Ｏ４を取り上げた。
５７Ｆｅ安定同位体をプローブとする、メスバウアー分光法を用いて深さ分解測定を行って、Ｆｅ３Ｏ４（１００）表面近傍及びバルク内部における磁気異方性を調べた結果、表面で面内磁化、バルク内部に向かうにしたがって、磁化がＦｅ３Ｏ４の容易磁化軸[１１１]方位に傾くというノンコリニア磁気構造の発現の観測に成功した。第一原理計算の結果からも、Ｆｅ３Ｏ４（１００）表面及びバルクの容易磁化軸は[１１０]面内方向及び[１１１]
方向であるとそれぞれ見積もられ、実験結果と一致する結果が得られた。
続いて、Ｆｅ３Ｏ４（１００）表面近傍の磁気相転移を、メスバウアー分光法で５７Ｆｅ原子核の内部磁場の温度依存性を観測することにより調べることに成功しした。内部磁場の温度依存性を、相転移のスケーリング則にのっとり臨界指数を見積った結果、２次元模型の磁気相転移の臨界指数に近い値に見積もられた。この結果は、単結晶表面の磁気相転移が、単結晶内部では３次元模型の臨界指数に従って内部磁場に温度依存性を有するという過去の文献と、異なる結果となり、表面の存在が、磁気相転移の臨界指数のクロスオーバーを生じさせることを発見した。特筆すべきは、メスバウアー分光で単結晶表面の５７Ｆｅ（９５％富化）３Ｏ４層は２０nmという厚さであったにもかかわらず、臨界指数のクロスオーバーが生じたことから、過去の理論における交換相互作用だけでは説明できない結果となり、理論的に表面界面磁性には、新しい概念の導入が必要であることを示唆する結果が得られた。
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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
表面・界面の磁気異方性とバルク中は、対称性が異なることから、同一磁性体、薄膜表面、界面、バルクで磁気異方性、磁気相転移の振る舞いに差が発生することが期待されていた。本年度の実験で、酸化鉄表面からバルクに向かって磁化方向のノンコリニア磁気構造の存在の観測に成功し、表面磁気異方性とバルク磁気異方性が接続されることが判明した。さらに、磁気相転移に関しても、表面でのＦｅ内部磁場の温度依存性の臨界指数は２次元ＸＹ模型に従い、バルク内部では３次元模型の相転移がおきるという過去の文献と差が漢族され、磁気相転移のクロスオーバーの観測に成功した。このことから、次の段階で、界面磁性制御を行っていく上で、重要な知見を得ることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
界面磁気異方性、磁気相転移はバルクと異なることにくわえて、相転移にクロスオーバーが生じ、磁気異方性の表面・バルクの差からノンコリニア磁気構造が発現する結果が２０１９年度に得られた。
今後については、この結果を踏まえ、メスバウアー分光法において５７Ｆｅ層を任意の深さに挿入した Ｆｅ３Ｏ４／ＢａＴｉＯ３及びＦｅ／ＢａＴｉＯ３試料を作成する。メスバウアー分光法により５７Ｆｅ３Ｏ４層及び５７Ｆｅ層の相転移、磁気異方性が圧電効果による変化を調べる。更に、Ｆｅ３Ｏ４／ＢａＴｉＯ３、Ｆｅ／ＢａＴｉＯ３界面において、鉄の磁化の制御に伴い、どのように鉄サイトにおける内部磁場の偏極が起きているかを、放射光核共鳴散乱法において、直線偏光を移相子を用いた円偏光変換を行うことで、内部磁場偏極即ちスピン偏極度の変化を調べ、得られた実験結果を検証する理論計算を行い、界面磁性制御のメカニズムを解明する。
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| Causes of Carryover |
２０１９年度の実験結果に対応する理論計算を終えてから、論文投稿後に、２０１９年度の購入予定であった、メスバウアー分光、放射光核共鳴散乱用の試料、製品を購入する予定であったが、理論計算のための計算機が更新作業が重なり、理論計算の結果が出るまでに年度末近くまで要してしまったため、２０１９年度使用予定の金額が少なくなってしまった。
２０２０年度は、２０１９年度に購入予定であった、圧電素子基板制御用の電源類と、メスバウアー分光のための５７Ｆｅ同位体及び５６Ｆｅ同位体を購入のために使用する予定である。２０２０年度の助成金は、計画通りメスバウアー分光用５７Ｃｏ放射性同位体を購入予定である。
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