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2021 Fiscal Year Annual Research Report

Highly efficient magnetization manipulation by spin conversion in ferromagnetic ordered alloys

Research Project

Project/Area Number 20H00299
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

関 剛斎  東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (40579611)

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)
温 振超  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 (40784773)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Keywordsスピントロニクス / スピンオービトロニクス / スピン変換 / 規則合金
Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では、大きく分けて①強磁性金属内におけるスピン変換の全容の究明、②自己誘導的スピン軌道トルクの機構の理解とその制御、③高いスピン変換効率を有する強磁性金属を創製の3つの研究項目を計画しており、2021年度は各々の項目について以下のように研究に取り組んだ。
①に関して、強磁性スピン変換層 (FM1) / 非磁性層 (NM) / 強磁性検出層 (FM2)の巨大磁気抵抗(GMR)膜において、スピントルク強磁性共鳴(ST-FMR)およびホール電圧の高調波測定を用いることによりスピン変換を定量的に評価した。特に、2020年度に構築した温度可変の高周波対応プロープステーションを用いて温度を変化させながらST-FMRを詳細に測定し、Co系合金におけるスピン変換効率の温度依存性を明らかにした。さらに、Pt系合金におけるスピン変換効率の結晶構造依存性や、新規材料としてB20型CoSi合金のスピンホール効果などを調べ、強磁性体におけるスピン変換の機構を理解する上で有用な知見が得られた。②については、2020年度から引き続きFe-Ni不規則合金を用いた単層ST-FMRの測定と解析に取り組んだ。Al-O/Fe-Ni/Al-Oの対称な積層構造およびAl-O/Fe-Ni/Si-Oの非対称な積層構造を有する2種類の単一強磁性層の試料について、ST-FMRによりスピン変換を評価し、自己誘導的スピン軌道トルク(SOT)を評価するモデルを構築することで、自己誘導的SOTの大きさを定量的に見積もることに成功した。③については、第一原理計算を用いて様々な規則合金におけるスピン異常ホール伝導度を調べ、大きなスピン異常ホール効果を実現するための材料設計について検討した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初計画では、スピン変換効率の定量評価および機構解明、自己誘導的SOTの観測、および理論計算による材料探索を2021年度の研究項目として予定していた。現在までに、スピン変換効率の温度依存性についての知見や、様々な材料系におけるスピン変換効率の情報が多く集まってきており、スピン変換の機構解明に向けて着実に研究が進行している。また、自己誘導的SOTを観測し、その起源を理解するためのモデルを構築することで定量評価に成功している。さらに、第一原理計算による材料探索も進んでいることから、2021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。

Strategy for Future Research Activity

「①強磁性金属内におけるスピン変換の全容の究明」に関しては、これまでに引き続き強FM1 / NM / FM2のGMR膜において、スピン変換の定量評価を行う。2021年度より運用を開始した高周波対応低温プローバーを用いて温度および磁場角度を変化させながらST-FMRスペクトルを測定し、スピン変換効率の温度依存性を引き続き詳細に調べる。また、これまで研究を進めてきたFePtなどの規則合金に限定せず、トポロジカル材料まで研究対象を拡張し、強磁性材料におけるスピン変換の統一的な理解に向けて研究を進める。具体的には、温度低下により常磁性から強磁性への相転移を示すCo3Sn2S2ワイル半金属を用いて、相転移により変換効率がどのように変化するかを明らかにする。また、相転移による変換効率を調べることにより、「③高いスピン変換効率を有する強磁性金属の創製」を実現するための重要な知見を得て、材料開発の指針を明確化する。
「②自己誘導的スピン軌道トルクの機構の理解とその制御」に関しては、単層ST-FMR実験をCo2MnGaやCo2MnSi、Co2MnAlなどの規則合金材料へと展開させることを視野に入れて、異常ホール効果に代表される電気伝導特性の組成依存性という基本特性の解明から取り組み、最終的には大きな自己誘導的SOTの実証を試みる。これらの実験と並行して、強磁性あるいは非磁性材料に対し元素置換を行うことでフェルミ準位をシフトさせスピン変換効率を増大させる試みや、界面挿入層の効果などを調べ、多方面からスピン変換効率を向上させるための方策を検討し、本研究の最終目標である「③高いスピン変換効率を有する強磁性金属の創製」を目指す。

  • Research Products

    (18 results)

All 2022 2021 Other

All Journal Article (9 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 9 results,  Open Access: 2 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 3 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Magnetoelastic interactions and magnetic damping in Co2Fe0.4Mn0.6Si and Co2FeGa0.5Ge0.5 Heusler alloys thin films for spintronic applications2021

    • Author(s)
      O. M. Chumak, A. Pacewicz, A. Lynnyk, B. Salski, T. Yamamoto, T. Seki, J. Z. Domagala, H. Glowinski, K. Takanashi, L. T. Baczewski, H. Szymczak & A. Nabialek
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 11 Pages: 7608/1/12

    • DOI

      10.1038/s41598-021-87205-y

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Evaluation of edge domains in giant magnetoresistive junctions2021

    • Author(s)
      W. Frost, T. Seki, T. Kubota, R. Ramos, E. Saitoh, K. Takanashi, A. Hirohata
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 118 Pages: 172405/1-5

    • DOI

      10.1063/5.0049315

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Origin of magnetic anisotropy, role of induced magnetic moment, and all-optical magnetization switching for Co100-xGdx/Pt multilayers2021

    • Author(s)
      J. Wang, T. Seki, Y-C. Lau, Y. K. Takahashi, K. Takanashi
    • Journal Title

      APL Materials

      Volume: 9 Pages: 061110/1-8

    • DOI

      10.1063/5.0050985

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Spin Hall effect in a spin-1 chiral semimetal2021

    • Author(s)
      K. Tang, Y-C. Lau, K. Nawa, Z. Wen, Q. Xiang, H. Sukegawa, T. Seki, Y. Miura, K. Takanashi, S. Mitani
    • Journal Title

      PHYSICAL REVIEW RESEARCH

      Volume: 3 Pages: 033101/1-10

    • DOI

      10.1103/PhysRevResearch.3.033101

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Highly fcc-textured Pt-Al alloy films grown on MgO(001) showing enhanced spin Hall efficiency2021

    • Author(s)
      Y-C. Lau, Takeshi Seki, and Koki Takanashi
    • Journal Title

      APL Materials

      Volume: 9 Pages: 081113/1-10

    • DOI

      10.1063/5.0052544

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Spin Hall effect in a non-equilibrium Cu76Ir24 alloy measured at various temperatures2021

    • Author(s)
      H. Masuda, R. Modak, T. Seki, K. Uchida, Y-C. Lau, J. Nitta, K. Takanashi
    • Journal Title

      AIP Advances

      Volume: 11 Pages: 095221/1-5

    • DOI

      10.1063/5.0065253

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Spin-orbit torque in a Ni-Fe single layer2021

    • Author(s)
      T. Seki, Y-C. Lau, S. Iihama, K. Takanashi
    • Journal Title

      PHYSICAL REVIEW B

      Volume: 104 Pages: 094430/1-9

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.104.094430

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effect of disorder and vacancy defects on electrical transport properties of Co2MnGa thin films grown by magnetron sputtering2021

    • Author(s)
      A. Miyashita, M. Maekawa, C. Suzuki, S. Yamamoto, A. Kawasuso, J. Wang, T. Seki, R. Y. Umetsu, K. Takanashi
    • Journal Title

      Journal of Applied Physics

      Volume: 130 Pages: 225301/1-7

    • DOI

      10.1063/5.0071807

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] First-principles calculations on the spin anomalous Hall effect of ferromagnetic alloys2021

    • Author(s)
      Yoshio Miura and Masuda Keisuke
    • Journal Title

      Physical Review Materials

      Volume: 5 Pages: L101402/1-5

    • DOI

      10.1103/physrevmaterials.5.l101402

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 電流-スピン流-熱流変換のための材料創製2022

    • Author(s)
      関剛斎
    • Organizer
      日本金属学会2022年春期(第170回)講演大会
    • Invited
  • [Presentation] 強磁性金属合金のスピン異常ホール効果に関する第一原理計算2022

    • Author(s)
      三浦良雄, 増田啓介
    • Organizer
      日本物理学会第77回年次大会
  • [Presentation] Ni-Fe単層膜におけるスピン軌道トルク2021

    • Author(s)
      関剛斎, ラウ・ヨンチャン, 飯浜賢志, 高梨弘毅
    • Organizer
      第45回日本磁気学会学術講演会
  • [Presentation] Magnetization switching driven by spin-orbit torque from a Co2MnGa magnetic Weyl semimetal thin film2021

    • Author(s)
      K. Tang Z. Wen Y. Lau H. Sukegawa T. Seki and S. Mitani
    • Organizer
      第45回日本磁気学会学術講演会
  • [Presentation] Spin-orbit torque in a Ni-Fe single layer2021

    • Author(s)
      T. Seki, Y.-C. Lau, S. Iihama, K. Takanashi
    • Organizer
      2021年第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] Origin and Optical Switching of Perpendicular Magnetization for Co100-xGdx/Pt Multilayers2021

    • Author(s)
      T. Seki, J. Wang, Y.-C. Lau, Y. K. Takahashi, and K. Takanashi
    • Organizer
      IEEE International Magnetics Conference (INTERMAG) 2021
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Development of Cu-based spin Hall materials2021

    • Author(s)
      T. Seki, H. Masuda, K. Takanashi
    • Organizer
      SPIE. OPTICS+PHOTONICS, Spintronics XIV
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Spin-Charge Conversion in Ferromagnetic Materials2021

    • Author(s)
      T. Seki
    • Organizer
      Symposium on magnetism and spintronics (SMS-1) 2021
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Remarks] 研究室ホームページ

    • URL

      http://magmatelab.imr.tohoku.ac.jp/

URL: 

Published: 2022-12-28  

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