2021 Fiscal Year Annual Research Report
ワイル半金属を用いた電流誘起スピン軌道トルクの解明とそのデバイス応用
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20H02174
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
植村 哲也 北海道大学, 情報科学研究院, 教授 (20344476)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
近藤 憲治 北海道大学, 電子科学研究所, 准教授 (50360946)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 磁性ワイル半金属 / スピン軌道相互作用 / スピン軌道トルク / ハーフメタル強磁性体 / 強磁性トンネル接合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，磁性ワイル半金属材料において発現する強いスピン軌道相互作用を利用した強磁性体磁化制御の学理を確立し，高速性・低消費電力性に優れたスピントロニクスデバイスを実現することである．そのため，磁性ワイル半金属であることが理論的に指摘されているホイスラー合金（以下，ワイル型ホイスラー合金とよぶ）をスピン源としたスピン軌道トルク(SOT)の特性を理論および実験により明らかにするとともに，これを利用した強磁性体磁化制御を確立する．具体的には，ワイル型ホイスラー合金の異常ホール効果により生成されたスピン流を用いて，強磁性トンネル接合の磁化自由層の磁化制御をめざすとともに，これらを利用した磁気抵抗素子や自励発振素子の創出を試みる．
2021年度は，ワイル型ホイスラー合金の探索とその異常ホール効果を活用した強磁性体の磁化制御に取り組んだ．具体的には，フェルミ準位近傍にワイル点があることが理論的に示されているCo2MnAlやCo2MnGaのホイスラー合金薄膜に着目し，それらの結晶構造解析，及び異常ホール効果や異常ネルンスト効果などの磁気輸送特性や熱電特性の評価を通じて，薄膜の成膜条件を最適化した．さらにこれらをスピン源としてCoFeのSOT磁化反転を実証した．
また，理論解析については，昨年度にType-IIのワイル半金属では磁気伝導率がカイラルアノマリーにより，正と負の磁気抵抗効果が起こること見出したが，その現象は，従来のニールセン・二宮のカイラルアノマリーの公式では説明出来なかった．そこで，今年度は，チルトしたワイルコーンでも成立する一般化したカイラルアノマリー公式を導出し，カイラルアノマリーによる正の磁気抵抗効果を統一的に説明することが出来た．また，このカイラルアノマリーの一般公式は，Niuらのベリー曲率における波数空間における体積変化を考慮することと同値であることも見出した．
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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
磁性ワイル半金属材料として指摘されているCo2MnGaやCo2MnAlの磁気輸送特性や熱電特性などの基本特性の解明が進むとともに，それらを用いたSOT磁化反転を実証しており，当該年度の目標をおおむね達成している．
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度にあたる今年度は，スピン流をより高効率に生成できるワイル型ホイスラー合金材料の探索を継続するとともに，ハーフメタル性を有するCo基ホイスラー合金に対するSOT磁化反転の特性を明らかにし，低い書き込み電力と高い読み出し信号を有する MTJ素子の開発をめざす．具体的には以下の項目を実施する．
(1)ホイスラー合金をベースとした磁性ワイル半金属材料の探索
[ワイル型ホイスラー合金/spacer/ハーフメタル強磁性体]からなる積層構造を作製し，ワイル型ホイスラー合金の異常ホール効果により生成されたスピン流を，spacer層を介して強磁性体に注入することでハーフメタル強磁性体の磁化反転を試み，その効率を評価する．ワイル半金属材料としては昨年度から取り組んでいるCo2MnAlやCo2MnGaを第一の候補とし，現在，SOT磁化反転で代表的に用いられているTaやPtのスピンホール角と同等以上のスピンホール角の実現をめざす．これらの材料において所望の特性が得られなかった場合，薄膜の組成制御やドーピングなどによりフェルミ準位をシフトさせることや，ワイル点の形成が理論的に予測されているCo2TiSiなどの他のホイスラー合金へ探索対象を広げる．ハーフメタル強磁性体には同じホイスラー合金の一種でハーフメタル性が理論的に予測されているCo2MnSiやCo2Mn(Fe,Si)，Co2Fe(Ga,Ge)を候補とする．
(2)SOT磁化反転を活用した３端子型MTJの開発
上記(1)の[ワイル型ホイスラー合金/spacer/ハーフメタル強磁性体]を磁化自由層に組み込み，トンネル障壁部にはMgO層を用いた３端子型MTJを開発し，磁化反転に要する消費電力などの書き込み性能や，MTJのトンネル磁気抵抗変化などの読み出し性能を明らかにする．
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