Spin torque induced dynamics and spin fluctuation in nanoscale non-collinear antiferromagnets

2023 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K14558
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 竹内 祐太朗 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 若手国際研究センター, ICYSリサーチフェロー (10882136)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: スピントロニクス / 反強磁性体 / フラストレーション / スピントルク / スピン軌道トルク / スピンゆらぎ

Outline of Annual Research Achievements

前年度に確立したナノスケールノンコリニア反強磁性体単一ドット素子の作製手法を活用し、多結晶Mn3Snナノドットの熱安定性のサイズ依存性を調べた。エピタキシャル膜と同様にサイズ減少に伴い、核生成型反転から単磁区反転の転移がみられるとともに、多結晶Mn3Snではエピタキシャル膜に比べて低い熱安定性を有することがわかった。加えてナノスケールMn3Snドット素子における外部磁場および直流電流によるスピン構造の変化も明らかになり、ナノスケール反強磁性体における電流誘起スイッチング特性や新奇現象が解明されつつある。ノンコリニア反強磁性体Mn3Sn薄膜における非保証磁化および磁気異方性の精密な測定手法も確立し、これら種々の磁気特性のMn3Sn薄膜依存性を理解した。本研究で確率した反強磁性体薄膜の物性評価は他の反強磁性体にも適用可能であり、更なる材料開発においても非常に有用である。
これらの実績に加えて、本研究では新たに重金属/ノンコリニア反強磁性体Mn3Snヘテロ構造におけるスピン依存磁気輸送特性の評価にも取り組んだ。その結果、室温において2次の非線形ホール効果を観測し、それがMn3Snと重金属の界面スピン構造の変化に起因することを明らかにした。さらに当該ヘテロ構造におけるスピンホール磁気抵抗を観測し、その抵抗変化がスピン軌道トルクのフィールドライク・トルク成分が寄与していることがわかった。以上の薄膜およびそのヘテロ構造の研究結果は本研究の発展につながるものであり、今後はより詳細な理解が求められる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

ナノスケール微細反強磁性体素子の作製を様々な材料系に活用し、多結晶Mn3Snナノドットの熱安定性や直流電流によるスピン構造の変化などが解明されつつある。こうした成果に加えて、ノンコリニア反強磁性体薄膜ヘテロ構造の磁気特性、磁気輸送特性、種々の量子効果がみられ、多方面にわたる研究成果が出ており、本研究は順調に進展しているといえる。

Strategy for Future Research Activity

当初の主目標であるナノスケールノンコリニア反強磁性体におけるスピン軌道トルク高速反転の実証に取り組む。現在はより系統的な実験結果を得るための測定に着手しており、また理論計算を利用した詳細の理解に努めている。また、より高機能な反強磁性体スピンデバイスの実現に向けて、Mn3Sn以外の様々なノンコリニア反強磁性薄膜の作製およびその特性評価にも取り組む。

Causes of Carryover

研究代表者の所属機関の変更に伴い、研究計画に一部変更が生じたため。また、ナノスケール微細素子を高い歩留まりで作製することができたことにより、関連した材料作製・加工にあたる必要経費が少なくなったため。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Massachusetts Institute of Technology(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Massachusetts Institute of Technology
• [Int'l Joint Research] Polish Academy of Sciences(ポーランド)
  • Country Name: POLAND
  • Counterpart Institution: Polish Academy of Sciences
• [Journal Article] Room-temperature flexible manipulation of the quantum-metric structure in a topological chiral antiferromagnet (2024)
  • Author(s): Jiahao Han, Tomohiro Uchimura, Yasufumi Araki, Ju-Young Yoon, Yutaro Takeuchi, Yuta Yamane, Shun Kanai, Jun’ichi Ieda, Hideo Ohno, and Shunsuke Fukami
  • Journal Title: Nature Physics Volume: XXX Pages: XXX-XXX
  • DOI: 10.1038/s41567-024-02476-2
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Handedness anomaly in a non-collinear antiferromagnet under spin-orbit torque (2023)
  • Author(s): Ju-Young Yoon, Pengxiang Zhang, Chung-Tao Chou, Yutaro Takeuchi, Tomohiro Uchimura, Justin T. Hou, Jiahao Han, Shun Kanai, Hideo Ohno, Shunsuke Fukami, and Luqiao Liu
  • Journal Title: Nature Materials Volume: 22 Pages: 1106-1113
  • DOI: 10.1038/s41563-023-01620-2
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Unconventional spin Hall magnetoresistance in a non-collinear antiferromagnet/heavy metal stack (2024)
  • Author(s): T. Uchimura, J. Han, P. Tang, J.-Y. Yoon, Y. Takeuchi, Y. Yamane, S. Kanai, G. E. W. Bauer, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: r) Iwate Spintronics School 2024 Winter
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Current-induced hysteresis loop shift in non-collinear antiferromagnetic heterostructure (2024)
  • Author(s): Tomohiro Uchimura, Yuta Yamane, Takaaki Dohi, Jiahao Han, Ju-Young Yoon, Yuma Sato, Shun Wakabayashi, Yutaro Takeuchi, Shun Kanai, Jun'ichi Ieda, Hideo Ohno, Shunsuke Fukami
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] Electrical control of noncollinear antiferromagnetic Mn3Sn thin film (2023)
  • Author(s): J.-Y. Yoon, P. Zhang, C.-T. Chou, Y. Takeuchi, T. Uchimura, J. T. Hou, J. Han, S. Kanai, H. Ohno, S. Fukami, and L. Liu
  • Organizer: 5th Polish-Japanese Workshop on Spintronics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Handedness anomaly in a non-collinear antiferromagnet under spin-orbit torque (2023)
  • Author(s): J. Han, J.-Y. Yoon, P. Zhang, C.-T. Chou, Y. Takeuchi, T. Uchimura, J. T. Hou, S. Kanai, H. Ohno, S. Fukami, and L. Liu
  • Organizer: 5th International Workshop on Spintronics Memory and Logic (SML)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Unconventional octupole dynamics of a non-collinear antiferromagnet driven by spin-orbit torque (2023)
  • Author(s): J.-Y. Yoon, P. Zhang, C. -T. Chou, Y. Takeuchi, T. Uchimura, J. T. Hou, J. Han, S. Kanai, H. Ohno, S. Fukami, L. Liu
  • Organizer: IEEE International Magnetics Conference (Intermag 2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Studies of magnetic properties of epitaxial thin films of noncollinear Weyl antiferromagnet Mn3Sn (2023)
  • Author(s): K. Gas, S. Wakabayashi, T. Uchimura, J.-Y. Yoon, Y. Takeuchi, S. Kanai, M. Sawicki, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: The 7th Symposium for the Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics and the 6th Symposium on International Joint Graduate Program in Materials Science and Spintronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dot size dependence of thermal stability factor in polycrystalline Mn3Sn (2023)
  • Author(s): H. Kubota, Y. Sato, Y. Takeuchi, Y. Yamane, J.-Y. Yoon, T. Uchimura, S. Wakabayashi, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: The 7th Symposium for the Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics and the 6th Symposium on International Joint Graduate Program in Materials Science and Spintronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spin-orbit torque generated by W-Ta alloys with various compositions (2023)
  • Author(s): Y. Kurihara, Y. Marui, S. Chiba, Y. Takeuchi, S. Kanai, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: The 7th Symposium for the Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics and the 6th Symposium on International Joint Graduate Program in Materials Science and Spintronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermal Stability Factor of L10-MnAl nanodot for STT-MRAM Applications (2023)
  • Author(s): T. Shinoda, Y. Takeuchi, B. Jinnai, J. Igarashi, Y. Sato, S. Fukami, and H. Ohno
  • Organizer: 68th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction in a non-collinear antiferromagnet/heavy metal heterostructure (2023)
  • Author(s): T. Uchimura, Y. Yamane, T. Dohi1, J. Han, J.-Y. Yoon, Y. Sato, S. Wakabayashi, Y. Takeuchi, S. Kanai , J. Ieda, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: 68th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM2023),
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Comprehensive study of crystalline structure, magnetic and magnetotransport properties of Mn3Sn thin films with various thicknesses (2023)
  • Author(s): S. Wakabayashi, J.-Y. Yoon, K. Gas, Y. Takeuchi, Y. Yamane, T. Uchimura, Y. Sato, K. Kishi, S. Kanai, M. Sawicki, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: 68th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM2023),
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental Methods of Quantifying Magnetism of Thin Antiferromagnetic Layers Deposited on MgO Substrates (2023)
  • Author(s): K. Gas, S. Wakabayashi, T. Uchimura, J.-.Y. Yoon, Y. Takeuchi, S. Kanai, S. Fukami, H. Ohno, M. Sawicki
  • Organizer: 13th Joint European Magnetic Symposia (JEMS2023)
• [Remarks] 磁石に潜む「電子の宇宙」の室温制御に成功 ～新規量子スピンデバイス実現に繋がる基礎原理に迫る～
  • URL: https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2024/04/press20240422-01-magnet.html
• [Remarks] 未利用磁石材料の電気的制御で新発見 ～磁気八極子と磁気双極子は電流応答に決定的な差異～
  • URL: https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2023/08/press20230804-02-spin.html