Synthesis of Chiral Crystal Thin Films and Exploration of Chiral Spintronics

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 22K18965
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 29:Applied condensed matter physics and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Kanazawa Naoya 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (10734593)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2024-03-31
• Keywords: キラリティ / トポロジー / スピントロニクス / スピン軌道相互作用 / スキルミオン / スピン軌道トルク

Outline of Final Research Achievements

We have focused on the synthesis of chiral material thin films and the development of their spintronics functionalities. In particular, we successfully synthesized epitaxial thin films of FeSi with a cubic chiral crystal structure, discovering new properties and functionalities such as the manifestation of room temperature ferromagnetism on the surface, current-induced magnetization switching at room temperature without an external magnetic field, skyrmion formation, and higher-order nonlinear Hall effects applicable to reservoir computing. In addition, we observed the emergent inductance effect in helimagnetic materials. We also scrutinized the stability of skyrmions with impurity doping. Based on these results, we could demonstrate the significant potential of chiral materials in spintronics applications.

Free Research Field

物性物理学、応用物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

キラル結晶やらせん磁性を利用して、概要に示したような様々なスピントロニクス機能を開拓することができた。一連の成果は6件の論文として出版し、さらに1件の日本語解説記事を執筆することができた。中でも、地球上にありふれた元素である鉄とシリコンの化合物であるFeSi薄膜において発見した電流誘起磁化スイッチング現象や高次非線形ホール効果は、MRAMやリザバーコンピューティングなどへの持続可能な応用可能性を示した顕著な例となっている。今後も本研究で得られた知見を発展させることによって、基礎学理の構築やさらなる応用への発展研究が期待できる。