2020 Fiscal Year Research-status Report

Active control of magnetic anisotropy in ultrathin antiferromagnetic films

Research Project

Project/Area Number	20K05302
Research Institution	Nagoya Institute of Technology
Principal Investigator	壬生攻名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40222327)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	田中雅章名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50508405)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	反強磁性体 / 超薄膜 / 磁気異方性 / スピントロニクス / メスバウアー分光
Outline of Annual Research Achievements	本研究課題は，物質中で原子がもつ磁気モーメントの方向が打ち消し合っている「反強磁性体」を，より「能動的な」磁性材料とするため，反強磁性超薄膜の「磁気異方性」（原子磁気モーメントの方向）を，外的刺激により制御することを目的とするものである。今年度はまず，代表的な反強磁性物質であるヘマタイトの薄膜を対象とし，磁気異方性に対する異種元素ドーピング，膜厚制御，エピタキシャル歪みなどの静的変調の影響を系統的に調べるとともに，重金属ドープヘマタイト薄膜の室温付近での磁気異方性を電圧印加（外的刺激）により動的に制御する実験に挑戦した。これらの過程で，研究代表者の強みであり，原子核によるガンマ線の共鳴吸収スペクトルを通じて反強磁性体の局所的磁気モーメントの方向がわかる「メスバウアー分光法」を駆使するとともに，より簡便な電気伝導測定を通じた反強磁性磁気モーメントの方向の検出方法の確立を目指した。後者において，絶縁体である重金属ドープヘマタイト薄膜の上部に蒸着したプラチナ薄膜の「スピンホール磁気抵抗効果」を面内印加磁場の方向を変えながら測定することが有効であることがわかった。以上の成果は，関連研究を含めた共著の解説記事として国内専門誌に公表されるとともに，国内の二つの有力学会にて発表された。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 反強磁性ヘマタイト薄膜の磁気異方性に対する静的変調の研究は，順調に進んでいる。温度上昇とともに原子磁気モーメントの方向が膜面垂直方向から面内方向に転移する温度（モーリン転移温度）が，異種元素ドーピングや膜厚に対してどのように変化するか，系統性なデータが蓄積されつつある。また，反強磁性超薄膜の磁気異方性の検出法として，メスバウアー分光法とスピンホール磁気抵抗効果を相補的に用いる方法の開発も順調に進んでいる。一方，電圧印加による磁気異方性の動的制御の研究では，電圧印加に伴う重金属ドープヘマタイト薄膜の磁気異方性の変化が明確に観測されるには至っておらず，今後の進展が待たれる結果となっている。
Strategy for Future Research Activity	引き続き，重金属ドープヘマタイト薄膜の磁気異方性の動的制御の実現に挑戦していく。具体的には，電圧印加やスピン流注入による室温付近での反強磁性磁気モーメントの方向の制御に挑む。一連の実験において，放射光を光源としたメスバウアー分光法を含めたメスバウアー分光法とスピンホール磁気抵抗効果の測定を相補的に活用していく。これに成功したのちには，界面で反強磁性相と磁気結合させたヘテロ接合素子において，反強磁性層を介した強磁性層の磁化方向の切り替えを試み，磁気記録素子やスピントニクス素子としての展開の可能性を追求してゆく。また，他の反強磁性物質についても同様の現象を調査し，ヘテロ接合した強磁性薄膜層の磁化方向を，反強磁性層の磁気異方性の動的制御を通じて制御するなど，これまでにない新しいコンセプトの磁化制御法を確立し，磁気記録やスピントロニクスの新素子としての展開を図っていく。