ノンコリニア反強磁性体のスピントルク誘起ダイナミクスの解明とその応用

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20K22409
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 竹内 祐太朗 東北大学, 材料科学高等研究所, 特任助教 (10882136)
• Project Period (FY): 2020-09-11 – 2022-03-31
• Keywords: スピントロニクス / 反強磁性体 / ノンコリニア / スピン軌道トルク / 異常ホール効果

Outline of Annual Research Achievements

前年度ではノンコリニア反強磁性体/重金属のヘテロ構造を作製し、スピン軌道トルクによる反強磁性体のスピン構造の回転を観測した。本年度(２０２１年度)では反強磁性体に作用するスピン軌道トルクの定量的評価を実現するとともに、その作用機構を明らかにした(国際学会2022 Joint MMM-Intermagにて発表)。また、ノンコリニア反強磁性体Mn3Snのエピタキシャル薄膜において、その量子効果である異常ホール効果のMn組成、アニール温度、測定温度依存性を調べた。本研究によってノンコリニア反強磁性体の異常ホール効果の生成因子を明らかにするとともに、Mn3Snのスピン構造が熱処理温度・組成によって変化することを発見し、効果的に異常ホール抵抗を増大する手法を開発した。本研究で得られた成果を学術論文AIP　Advanceｓに投稿し、採択・出版された。本年度ではさらに、ノンコリニア反強磁性体Mn3Sn薄膜の磁気光学カー効果を調べた。ノンコリニア反強磁性体の磁気光学カー効果が異常ホール効果と同じ起源をもつことを実験的に確認するとともに、加えてカー効果を使った磁気イメージングによって、ノンコリニア反強磁性体のカイラルスピン構造が特異な反転過程を経ていることがわかった。当該の成果はApplied　Physics Lettersに投稿・採択されている。本研究成果によって高効率な磁気秩序の電気的制御や新規スピントロニクスデバイスへの展開が期待される。

Research Products

• [Journal Article] Observation of domain structure in non-collinear antiferromagnetic Mn3Sn thin films by magneto-optical Kerr effect (2022)
  • Author(s): Tomohiro Uchimura, Ju-Young Yoon, Yuma Sato, Yutaro Takeuchi, Shun Kanai, Ryota Takechi, Keisuke Kishi, Yuta Yamane, Samik DuttaGupta, Jun’ichi Ieda, Hideo Ohno, and Shunsuke Fukami
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 120 Pages: -
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chiral-spin rotation of non-collinear antiferromagnet by spin-orbit torque (2021)
  • Author(s): Takeuchi Yutaro、Yamane Yuta、Yoon Ju-Young、Itoh Ryuichi、Jinnai Butsurin、Kanai Shun、Ieda Jun’ichi、Fukami Shunsuke、Ohno Hideo
  • Journal Title: Nature Materials Volume: 20 Pages: 1364～1370
  • DOI: 10.1038/s41563-021-01005-3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Correlation of anomalous Hall effect with structural parameters and magnetic ordering in Mn_3+<i>x</i>Sn_1?<i>x</i> thin films (2021)
  • Author(s): Yoon Ju-Young、Takeuchi Yutaro、DuttaGupta Samik、Yamane Yuta、Kanai Shun、Ieda Jun’ichi、Ohno Hideo、Fukami Shunsuke
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 11 Pages: 065318～065318
  • DOI: 10.1063/5.0043192
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Determination of spin-orbit torque efficiency in non-collinear antiferromagnet / heavy metal heterostructures (2022)
  • Author(s): K. Kishi, Y. Takeuchi, Y. Yamane, J.-Y. Yoon, R. Takechi, B. Jinnai, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: 15th Joint MMM-INTERMAG Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sputter-deposited epitaxial non-collinear antiferromagnetic Mn3Sn thin films and spin-orbit torque driven chiral-spin rotation (2022)
  • Author(s): J. Yoon, Y. Takeuchi, Y. Yamane, R. Itoh, B. Jinnai, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: KAIST spintronics group seminar
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Chiral-spin rotation of non-collinear antiferromagnetic Mn3Sn by spin-orbit torque (2022)
  • Author(s): Y. Takeuchi, Y. Yamane, J.-Y. Yoon, R. Itoh, B. Jinnai, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: 15th Joint MMM-INTERMAG Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Observation of non-collinear antiferromagentic domain structure in epitaxial Mn3Sn thin films (2022)
  • Author(s): T. Uchimura, J.-Y. Yoon, Y. Sato, Y. Takeuchi, S. Kanai, R. Takechi, K. Kishi, Y. Yamane, S. DuttaGupta, J. Ieda, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Effect of spin-orbit torque on non-collinear antiferromagnet Mn3Sn (2021)
  • Author(s): K. Kishi, Y. Takeuchi, Y. Yamame, J.-Y. Yoon, R. Takechi, B. Jinnai, S Kanai, J. Ieda, H. Ohno, S. Fukami
  • Organizer: The 5th Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Properties and Functionalities of Non-Collinear Antiferromagnetic Mn3+x Sn1-x Thin Films (2021)
  • Author(s): J.-Y. Yoon, Y. Takeuchi, Y. Yamane, R. Itoh, S. DuttaGupta, B. Jinnai, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, S. Fukami
  • Organizer: The 5th Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] nomalous Hall Effect of Non-collinear Antiferromagnetic Weyl Semimetal Mn3+xSn1-x Thin Films: Correlation with Crystalline, Magnetic, and Electronic Structures (2021)
  • Author(s): J.-Y. Yoon, Y. Takeuchi, S. DuttaGupta, Y. Yamane, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: 24th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems 20th International Conference on Modulated Semiconductor Structures (EP2DS-24/MSS-20) meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Chiral-spin rotation driven by spin-orbit torque in non-collinear antiferromagnetic Mn3Sn (2021)
  • Author(s): Y.Takeuchi, Y. Yamane, J.-Y. Yoon, R. Itoh, B. Jinnai, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: 1st Online RIEC International Workshop on Spintronics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Electrical control of ferromagnets and non-collinear antiferromagnets by spin-orbit torque (2021)
  • Author(s): Y. Takeuchi, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: Advanced Science Research Seminar
  • Invited
• [Presentation] Spin-orbit torque induced chiral-spin rotation of non-collinear antiferromagnet (2021)
  • Author(s): Y. Takeuchi, Y. Yamane, J. Yoon, R. Itoh, B. Jinnai, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, S. Fukami
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Spin-orbit torque efficiency in non-collinear antiferromagnet / heavy metal heterostructures (2021)
  • Author(s): K. Kishi, Y. Takeuchi, Y. Yamane, J. Yoon, R. Takechi, B. Jinnai, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, S. Fukami
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Spin-orbit torque efficiency in non-collinear antiferromagnet / heavy metal heterostructures (2021)
  • Author(s): T. Uchimura, Y. Sato, Y. Takeuchi, Y. Yamane, J.-Y. Yoon, R. Takechi, K. Kishi, S. Kanai, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: 40th Electronic Materials Symposium EMS-40
• [Presentation] Spin-orbit torque efficiency in non-collinear antiferromagnet Mn3Sn /heavy metal heterostructures (2021)
  • Author(s): K. Kishi, Y. Takeuchi, Y. Yamane, J.-Y. Yoon, R. Takechi, B. Jinnai, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: 40th Electronic Materials Symposium EMS-40
• [Patent(Industrial Property Rights)] 電子デバイス、その製造方法及びその使用方法 (2021)
  • Inventor(s): 竹内 祐太朗、深見 俊輔、山根 結太、ほか
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人 東北大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2021-071582