2020 Fiscal Year Annual Research Report
補助書込SOT法による高速低消費磁化反転技術の開発とデバイス応用
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20H02607
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| Research Institution | Kansai University |
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Principal Investigator |
本多 周太 関西大学, システム理工学部, 准教授 (00402553)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
安藤 裕一郎 京都大学, 工学研究科, 特定准教授 (50618361)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 磁化反転 / マイクロマグネティクスシミュレーション / スピン軌道トルク / 純スピン注入 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
強磁性金属と重金属の接合において，重金属に電流を流すとスピンホール効果により重金属から強磁性金属へとスピンが注入される。注入されたスピンから強磁性金属の磁化がスピン軌道トルクを受け，磁化反転が起こる。我々は２軸方向に長い重金属リードを利用することで１軸方向のリードよりも高速に磁化反転が起こる方法を提案した。この方法の実証とより高速な磁化反転に向けて最適化を行うことが目的である。当該年度には磁化反転シミュレーションによる検討と磁化反転実験装置の作成を目指した。
磁化反転シミュレーションはランダウリフシッツギルバート方程式に基づいて作成された。重金属リードの１方向からは磁化反転後の磁化の向と同じ向きのスピンが注入(主書き込み)され，２方向目からは磁化反転後の磁化の向きに垂直な向きのスピンが注入(補助書き込み)される。補助書き込み電流の印加時間を制御することで高速な磁化反転が起こる最適な印加時間があることが明らかになった。
磁化反転実験では，二つのリードを用いてパルス電流を印加してのＳＯＴ注入磁化反転が可能になった。長さ２μｍのパーマロイにおいて磁化反転を試みた。１つの重金属リードにのみ電流を印加した場合と２つの重金属リードに電流を流した場合のどちらでも磁化反転の実験が可能となった。磁化反転実験においては，２つの重金属リードを磁化反転に利用した場合の方が，１つの重金属リードのみを利用した場合よりも１／５以下の電圧で磁化反転が起こることが明らかとなった。
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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
シミュレーションパートと実験パートで並行して研究を進めている。本年度終了までには補助書き込みＳＯＴ法の磁化反転シミュレーションによる検討と磁化反転実験装置の作成を目指した。シミュレーションパートでは，補助書き込みＳＯＴ法をランダウリフシッツギルバート方程式に基づいたマイクロマグネティクスシミュレーションにより可能にした。補助書き込み電流の印加時間を制御することで高速な磁化反転が起こる最適な印加時間があることを明らかにするなど，シミュレーションでの磁化反転の検証は順調に進んでいる。磁化反転実験では，二つのリードを用いてパルス電流を印加しての補助書き込みＳＯＴ注入磁化反転を可能にした。長さ２μｍのパーマロイにおいて磁化反転を試みた。１つの重金属リードにのみ電流を印加した場合と２つの重金属リードに電流を流した場合のどちらでも磁化反転の実験が可能とし，従来法と補助書き込みＳＯＴ法との磁化反転の比較を実験においても行なうことを可能にした。また２つの重金属リードを磁化反転に利用した場合の方が，１つの重金属リードのみを利用した場合よりも低電圧で磁化反転が起こることが実験で実証されるなど，当初の予定どおり順調に実験も進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
補助書き込みＳＯＴ法による高速磁化反転に向けて，磁化反転のシミュレーションによる最適化と実験実証をすすめる。1.磁化反転のシミュレーションにおいては，作成したランダウ-リフシッツ-ギルバート方程式に基づいたマイクロマグネティクスシミュレーションに補助書き込みＳＯＴ法によるスピン注入トルクを導入した磁化計算を実験と近い構造を用いて行なう。これにより実験結果と相互検証し，より高速に磁化を反転させる機構を検討する。補助リードと主リードのトルク印加時間のタイミング，スピンの注入量，スピンを注入する面，磁性体の形状などと反転時間の関係を明確し，高速に磁化反転が起こる補助書込ＳＯＴ法を検証する。重金属リードから強磁性体へのスピン注入の最適化を数値計算で検討，強磁性金属に最適なスピン注入が起こる構造を検討する。2.実験実証においては，ターゲットの磁性体としてNiFe合金，ＳＯＴ注入用のリード線としてPtを用いる。数μｍの直方体のパーマロイを磁化反転対象の強磁性金属とする。長手方向に磁化した強磁性体の磁化反転を対象とする。超真空に対応した成膜装置，微細加工装置を用いて作成可能となった補助電流ＳＯＴ法を実施するデバイスを用いる。高周波プローバおよび2端子出力パルス発生器を用いてパルス電流を印加し，補助書き込みＳＯＴ法による磁化反転を行なう。シミュレーションと実験結果を相互比較し，より高速な磁化反転を目指す。
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