2020 Fiscal Year Annual Research Report
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20H00337
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
望月 維人 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (80450419)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
笹川 崇男 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (30332597)
小野 輝男 京都大学, 化学研究所, 教授 (90296749)
安藤 和也 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (30579610)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | スキルミオン / スキルミオニクス / 磁気多層膜系 / スピン軌道トルク / 垂直磁気異方性 / DM相互作用 / スピントロニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
磁気ヘテロ接合系におけるスキルミオンの電流による駆動・制御の実現及び最適化を目指し、電流駆動の主要なメカニズムの一つであるスピン軌道トルクや、スキルミオンの大きさを決定するDM相互作用や垂直磁気異方性といったマテリアルパラメータを、実験的に評価する方法を確立を目指した。また、このような磁気パラメータを変調したりデザインすすることが可能な材料の探索を行った。その結果、Al/Coの界面でスピン軌道トルクや磁気異方性の変調や制御が可能なことを見出した。また、Co/Gd/Ptの磁気多層膜系において、DM相互作用やスピン軌道トルクの大きさを実験的に評価することに成功した。さらに、スキルミオンの電流駆動型メモリ素子の有望な材料候補であるフェリ磁性Tb/CoFeB/MgOの磁気多層ナノ細線において、磁壁の磁場誘起クリープ運動を実現・観測することに成功した。さらに、フェリ磁性の磁化を温度変調によって正から負にまで大きく変化させることを目指している。これにより、温度を上手に制御することで、スキルミオンの電流駆動で見られるスキルミオンホール効果を制御することが可能になる。その準備として、フェリ磁性体磁気多層膜系のGdFe系において、フェリ磁性の補償温度前後の磁化角運動量の状態を磁気コンプトン散乱実験で精密に評価することに成功した。また、材料・物質探索でも、強いスピン軌道相互作用や、スピン-運動量ロッキングが期待されるトポロジカル絶縁体材料BiSbTe2Se、３次元ディラック電子系物質Bi1-xSbx、ビスマスハライドのファンデルワールス積層材料などの合成や物性評価を進めた。
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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
スキルミオンの電流駆動型メモリ素子や脳型情報処理素子などへのスピントロニクス応用のために、スキルミオンを発現し、電流で効率的に駆動・制御することを可能にする磁気多層膜系の材料の探索は順調に進み、大きな成果を上げることができた。また、これらの系で、スキルミオンのサイズや安定性を支配するDM相互作用や磁気異方性、そして電流による駆動・制御を支配するメカニズムであるスピン軌道トルクを材料によって変調・制御したり、実験的にその大きさや強さを見積もる方法を確立することができた。また、従来のように、スピン軌道相互作用の強い重金属と強磁性体の磁気ヘテロ接合でけではなく、ナノサイズのスキルミオンが安定に発現し、スピン軌道トルクを通じてより効率的に電流で駆動・制御できる新材料の開発を目指した物質の探索や物性評価も順調に進んだ。実際、トポロジカル絶縁体や３次元ディラック電子系物質、ビスマスハライドのファンデルワールス積層物質などの物質合成、単結晶作成、物性性評価では、世界的に見てもトップレベルの成果を上げている。以上を勘案して2020年度の研究は当初の計画通り順調に進展したと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度の研究では、スキルミオンのようなトポロジカル磁気構造がナノサイズで、安定に発現するような材料の探索や開発を行い、大きな成果を上げることができた。これらの材料では、スキルミオンのサイズや安定性を支配する機構や相互作用、磁気異方性を変調したり増強したりすることができる。また、電流、あるいはマグノン流、スピン流、温度勾配のような外部からのカレント注入によってスキルミオンや磁壁といった非共線磁気構造を駆動・制御する物理機構であるスピン軌道トルク、またこれらのカレントや電磁波と磁性のカップリングの起源であるスピン軌道相互作用やスピン-運動量ロッキングを増強・変調するすることが可能な材料の探索・開発にも目途がついた。今後は、これらの材料中で発現するスキルミオンや、バイスキルミオン、メロン、ホプフィオンといったトポロジカル磁性の興味深い物性現象や有用な物質機能を開拓・解明していくことが次の目標となる。重要な研究の方向性として、光やマイクロ波といった電磁波の照射により、高速、省エネ、かつ非接触（摩耗フリー）でトポロジカル磁性をスイッチ・制御する方法を探索・解明することがあげられる。例えば、上記のトポロジカル磁気構造が持つ、ヘリシティ、ボルティシティ（渦度）、トポロジカル電荷の大きさ・符号を、光・マイクロ波によってスイッチ・制御する方法を確立できれば、スキルミオンをはじめとするトポロジカル磁性のスピントロニクス応用の可能性は大きく広がる。また、スキルミオンなどのトポロジカル磁気構造を活用した、エネルギー生成・変換、マイクロ波素子機能（アイソレータ等）、センシング機能を理論的に設計し、そのシミュレーション実証および、実験実証を目指していく。
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[Journal Article] Orbital and magnetic ordering and domain-wall conduction in ferrimagnet La5Mo4O162021
Author(s)
T. Katsufuji, M. Miyake, M. Naka, M. Mochizuki, S. Kogo, T. Kajita, Y. Shimizu, M. Itoh, T. Hasegawa, S. Shimose, S. Noguchi, T. Saiki, T. Sato, F. Kagawa
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Journal Title
Physical Review Research
Volume: 3
Pages: 013105/1-17
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction and dampinglike spin-orbit torque in [Co/Gd/Pt]N magnetic multilayers2021
Author(s)
Tomoe Nishimura, Dae-Yun Kim, Duck-Ho Kim, Yune-Seok Nam, Yong-Keun Park, Nam-Hui Kim, Yoichi Shiota,Chun-Yeol You, Byoung-Chul Min, Sug-Bong Choe, Teruo Ono
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 103
Pages: 104409/1-7
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Estimation of Angular Momentum Compensation Temperature in GdFe Film by Magnetic Compton Scattering2021
Author(s)
T. Ikebuchi, Y. Hirata, S. Funada, A. Tsukamoto, H. Ito, K. Suzuki, K. Hoshi, N. Tsuji, H. Sakurai, Y. Shiota, T.Moriyama, T. Ono
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Journal Title
Journal of the Magnetics Society of Japan
Volume: 45
Pages: 1-5
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Topological Lifshitz Transition of the Intersurface Fermi-arc Loop in NbIrTe42020
Author(s)
S.A. Ekahana, Y.W. Li, Y.Sun, H.Namiki, H.F. Yang, J.Jiang, L.X. Yang, W.J. Shi, C.F. Zhang, D. Pei, C. Chen, T. Sasagawa, C. Felser, B.H. Yan, Z.K. Liu, and Y.L. Chen,
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 102
Pages: 85126
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Radial Spin Texture in Elemental Tellurium with Chiral Crystal Structure2020
Author(s)
M. Sakano, M. Hirayama, T. Takahashi, S. Akebi, M. Nakayama, K. Kuroda, K. Taguchi, T. Yoshikawa, K. Miyamoto, T. Okuda, K. Ono, H. Kumigashira, T. Ideue, Y. Iwasa, N. Mitsuishi, K. Ishizaka, S. Shin, T. Miyake, S. Murakami, T. Sasagawa, and T. Kondo
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Journal Title
Phys. Rev. Lett.
Volume: 124
Pages: 136404
DOI
Peer Reviewed
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