2021 Fiscal Year Research-status Report
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20K14419
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
杉本 聡志 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, 研究員 (90812610)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | スピントロニクス / 磁気スカーミオン / 磁気イメージング / ホイスラー合金 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
磁気スカーミオンは、小型・低エネルギー化が可能となるトポロジカル特性を示す磁区構造である。 本研究では、薄膜ヘテロ構造に安定化するスカーミオンの非線形応答に着目し、非古典粒子的な描像を示す物性モデルの新規構築を目指す。
2年度目では、トポロジカル効果の電気検波を目的とし、強いトポロジカルホール信号を示す材料開発を中心に研究を進めた。産業応用を念頭に入れたスパッタ成膜法を採用することで、Mn系逆ホイスラー合金であるMnxPtSn規則合金のエピタキシャル成長に成功した。同材料系の中で、I-4m2対称性を示すMn2PtSnでは、スピン再配列温度以下のフェリ磁性相において、金属材料系では非常に大きい1マイクロオームcmクラスの巨大トポロジカルホール信号の検出を観察した。加えて、薄膜特有の効果として、試料膜厚を変化させることで材料の磁気双極子エネルギーを変調し、トポロジカルホール信号の極性を反転させることを確認した。このような条件では、零磁場近傍で過去に直接観察報告のないアンチスカーミオンの薄膜安定化が示唆され、今後のトポロジカル磁区構造研究の足掛かりとなることが期待される。並行してD2d異方性を示すジャロシンスキー・守屋相互作用（DMI）を含むマイクロマグネティクス法による数値計算を進め、スキルミオン安定化条件の拡大を検証した。加えて、基板変更による格子歪の増加や、Pd不純物ドープにより、トポロジカル信号強度の増加やスピン再配列温度の変調を実証した。
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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
本研究課題はスカーミオンの非線形応答を検波する必要があるため、こちらの検波に適した材料探索は、今後の課題遂行について不可欠である。その観点から、本年度で達成した巨大トポロジカル信号を示す金属材料の開発と、薄膜材料開発に向けた成膜技術の発展は、次年度以降の研究の主幹技術のひとつとなる。次年度からは、本年度の成果をそのまま足掛かりとし、実空間検波やスカーミオン操作、新規材料探索に包括的に発展させることができるため、進捗状況としては概ね予定通りと判断できる。
これらの研究実績は、招待講演を含む二つの学会発表が行われ、関連論文を含め、今年度で２件の論文発表（査読あり）に繋がった。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度で開発した、高強度トポロジカルホール信号を示すスカーミオン安定化材料の薄膜化技術を足掛かりとして、以下の３つの方針に沿って研究を進めていく。１．Mn系逆ホイスラー薄膜を用いた実空間イメージング、２．１．を起点とした（アンチ）スカーミオン操作手法の検証、３．室温・零磁場スカーミオン安定化に適した薄膜材料の開発。
１．については、現在までに薄膜サンプルにおけるDMI由来のアンチスカーミオンの実空間イメージングの実績はほぼ皆無であることから、スカーミオン薄膜工学における基幹的な成果のひとつとなり得る。2年度時点で原子スケールに平坦なエピタキシャル成長に成功しており、この高品質薄膜を用いた電子透過型顕微鏡によるローレンツ観察、及び磁気力間顕微鏡により磁気構造をもちいた磁気構造観察を試みる。
２，については、１．が達成した後に引き続き、イメージングによりスカーミオン構造をトラッキングすることで、電流、磁場、電場、温度勾配といった外力印加に伴うダイナミクス過程を検出し、その操作手法を模索する。
３．については、トポロジカルホール信号を伴うスカーミオン安定化条件を産業応用に適した環境に引き上げるため、並行して薄膜材料探索を進める。候補として、NdCo5をはじめとする異方的DMIを示す対称性が破れた材料系で、フェリ磁性のスピン再配列温度が室温近傍に存在する材料に着目する。
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