2020 Fiscal Year Annual Research Report
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20J20663
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
林 宏樹 慶應義塾大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)
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2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | スピントロニクス / スピン流 / スピン軌道トルク / スピントルク強磁性共鳴 / 反強磁性体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
スピントロニクスにおいて反強磁性体は、スピン流輸送材料の候補として反強磁性絶縁体、電流-スピン流変換材料の候補として反強磁性金属を研究対象にされてきた。当初計画していた反強磁性絶縁体中のスピン輸送特性を評価するために、反強磁性絶縁体である単結晶酸化ニッケルの上に2本の白金細線を配置して非局所スピン輸送測定を行ったが、有意な信号が得られなかった。
そこで、別のアプローチを試みた。スピン流が強磁性体に注入されると、スピン流は角運動量の流れであるため、全系で角運動量が保存するため磁化はトルクを受けて傾く。これをスピントルクと呼ぶ。この現象を利用してスピン輸送特性を評価することを試みた。まず、スピン流生成源の典型的な材料である白金をベースとして、スピントルク生成効率の評価方法の洗練化を行った。具体的には白金/強磁性二層膜を作成し、強磁性体の種類及び膜厚を変化させることでスピントルク生成効率を評価した。スピントルク生成効率の評価方法としてスピントルク強磁性共鳴法を用いた。この測定によって、2種類のトルク効率を算出することができる。1つ目がスピン流が強磁性体に吸収することで磁化が緩和する方向に受けるダンピングライク(DL)トルク、2つ目がスピン流が界面で反射することで磁化を駆動する方向に受けるフィールドライク(FL)トルクである。接合する強磁性体の種類を変えることで、スピントルク効率の大きさや符号が異なることが判明した。白金の膜厚も変化させることで、強磁性体中の電子状態やスピン依存輸送の違いがスピントルクに影響を与えることを明らかにした。この成果は、日本物理学会秋季大会で口頭発表した。また、米国査読付き論文誌であるPhysical Review Researchに掲載されている。
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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
上述の通り、白金/強磁性体金属系におけるスピントルク生成効率の定量法の洗練化を行った。これによって、白金に接合する強磁性体の種類によってスピントルク生成メカニズムに差異があることを明らかにした。特に、強磁性体の種類を変えることで、スピントルクメカニズムを明らかにする方法を確立できたため、概ね順調に進展していると言える。以下に研究の詳細を述べる。
【試料作成】高周波スパッタリング法を用いて、白金/強磁性体(ニッケルと鉄)の二層膜を成膜し、フォトリソグラフィー法を用いて微細加工を行い、デバイスを作成した。強磁性体と白金の膜厚が異なるサンプルを複数用意した。
【測定】スピントルク強磁性共鳴法(STFMR)を用いて、強磁性体中に誘起するスピントルクを直流電圧として測定した。STFMR信号の形状から計算されるスピントルク効率の強磁性体膜厚依存性からダンピングライク(DL)トルクとフィールドライク(FL)トルク効率の定量を行った。
【結果・考察】白金の膜厚を変えて、ニッケルと鉄に対してDLトルクとFLトルクの生成効率の定量を行った。DLトルクの生成効率の大きさや符号はニッケルと鉄の間で大きな差異はないことが判明した。これは白金のバルク中で生成されるスピン流がDLトルクの主な生成起源であることを意味している。一方、FLトルクはニッケルと鉄で符号が反転し、白金の膜厚に対する振る舞いが異なっている。これは鉄と白金の界面由来のFLトルク及びバルク由来の2つの起源から説明できる。しかし、ニッケルは界面由来のFLは小さく、バルク効果由来のみであることが判明した。以上より、白金/強磁性体二層膜において、強磁性体の種類に依存して誘起されるスピントルクのメカニズムが、DLとFLトルクの間で大きく違うことが明らかになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は白金をベースとしたスピントルク生成効率の評価法の洗練化を主に取り組み、スピントルク生成における強磁性体の役割を明らかにした。これによって、反強磁性体中のスピンダイナミクスを調べるための測定方法が確立したと言える。
酸化銅は銅と酸素の組成比によって反強磁性体(CuO)と反磁性(Cu2O)といった異なる相を持つ物質である。実際に、酸化銅と白金を接合することで、界面で反転対称性の破れと界面の電子密度の違いから新たな物理起源によるスピン流生成源となることが実験的に報告されている。この現象に、反強磁性体であるCuOが重要な役割を果たしているかは未だに不明である。近年、非従来の物理起源によって生成されるスピン流は、接合する強磁性体によって生成されるスピントルクの大きさや符号を変化することが予想されている。
次年度は組成比の異なる酸化銅を作り分けるための条件出しを行う。得られた酸化銅を用いて、CuOx/白金/強磁性体の三層構造を作成し、酸化銅の酸素組成比を変えることで反強磁性体であるCuOがスピントルク生成に重要な役割を果たすかを調べる。また、白金はスピン軌道相互作用が強い材料であるため、従来の電流スピン流変換メカニズムと異なることを示すために、CuOx/Cu/強磁性体の構造でスピントルク効率を調べ、界面にスピン軌道相互作用がなくても有意なスピントルク効率になるかどうかを調べる。
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