Highly efficient magnetic domain wall motion driven by spin-orbit torque in rare-earth free single crystal nitrides.

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21J10330
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 小森 太郎 筑波大学, 理工情報生命学術院, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2021-04-28 – 2023-03-31
• Keywords: スピントロニクス / 電流駆動磁壁移動 / 分子線エピタキシー / 窒化物材料

Outline of Annual Research Achievements

研究代表者はマンガン系窒化物薄膜で、スピン軌道トルクを利用した高効率な電流駆動磁壁移動の達成を目指した。2022年2月より、共同研究先かつ提携大学院であるグルノーブルアルプ大学/CEA (フランス)に渡航し、筑波大学で成膜した高品質な単結晶マンガン窒化物薄膜を細線に加工し、電流駆動磁壁移動実験を遂行した。
研究代表者はスピン軌道トルクの利用に必要なプラチナが堆積されたマンガン窒化物薄膜において、最高で400m/sの磁壁移動速度を電流のみによって記録した。しかしこの記録は、プラチナ層を堆積していない、スピン移行トルクのみによって達成された速度より遅いものであった。研究者は、面内磁場下での電流及び面直磁場による磁区の拡大や磁壁移動について調べることで、上記の結果の差異の解明を試みた。結果として、滞在中で行った実験からは、スピン軌道トルクによる磁壁移動への寄与は確認されなかった。また、電流印加による細線内での磁区の核発生が比較的容易に発生するという結果も得られた。
このことから、研究者は磁壁移動速度に差異が生じた理由を、細線内の電流の殆どがPtに流れており、そのPtが放出するジュール熱によって隣接するマンガン系窒化物薄膜の熱攪乱が生じたためと考察した。このため、今後の共同研究計画としては、プラチナ同様にスピン軌道トルクの利用に寄与し、プラチナよりも抵抗率が大きいタングステンの活用を検討する。また、二次イオン質量法により、重金属とマンガン界面で合金の形成の有無を確認し、必要に応じてマンガン系窒化物上への重金属のスパッタ条件についても最適化を行う。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Anisotropic magnetoresistance in Mn-4xNixN and the change in the crystalline field (2022)
  • Author(s): Taro Komori、Haruka Mitarai、Tomohiro Yasuda、Sambit Ghosh、Laurent Vila、Jean-Philippe Attane、Syuta Honda、Takashi Suemasu
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 132 Pages: 143902～143902
  • DOI: 10.1063/5.0107172
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Magnetic structure of 3d-element doped Mn4N films confirmed by X-ray magnetic circular dichroism, Conditions for magnetic compensation (2022)
  • Author(s): Taro Komori、Takumi Horiuchi、Haruka Mitarai、Tomohiro Yasuda、Kenta Amemiya、Takashi Suemasu
  • Journal Title: Journal of Magnetism and Magnetic Materials Volume: 564 Pages: 170050～170050
  • DOI: 10.1016/j.jmmm.2022.170050
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Current induced domain wall motion in comepnsated Mn4-xNixN at room temperature and Ni composition ratio dependence of the properties (2022)
  • Author(s): T. Komori, S. Ghosh, A. Hallal, J. P. Garcia, T. Gushi, T. Hirose, H. Mitarai, H. Okuno, J. Vogel, M. Chshiev, L. Vila, T. Suemasu, S. Pizzini, J.-P. Attane
  • Organizer: XXeme Colloque Louis Neel
• [Presentation] Current induced domain wall motion in Mn4-xNixN benefited from the compensation at room temperature (2022)
  • Author(s): T. Komori, S. Ghosh, A. Hallal, J. P. Garcia, T. Gushi, T. Hirose, H. Mitarai, H. Okuno, J. Vogel, M. Chshiev, J.-P. Attane, L. Vila, T. Suemasu, and S. Pizzini
  • Organizer: Joint European Magnetic Symposia
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Reversal of domain wall motion at angular momentum compensation point in ferrimagnetic Mn4-xNixN (2022)
  • Author(s): T. Komori, S. Ghosh, A. Hallal, J. P. Garcia, T. Gushi, T. Hirose, H. Mitarai, H. Okuno, J. Vogel, M. Chshiev, L. Vila, T. Suemasu, S. Pizzini, J.-P. Attane
  • Organizer: The 83rd JSAP Autumn Meeting