2022 Fiscal Year Annual Research Report
動的スピン注入の詳細機構解明による革新的スピンカロリトロクス
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22J21920
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Kyushu University |
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大日方 初良 九州大学, 理学府, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2022-04-22 – 2025-03-31
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| Keywords | 動的熱スピン注入 / パラメトリック / スピン流 / 強磁性共鳴発熱効果 / スピン波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
強磁性共鳴時の発熱現象が及ぼす動的スピン注入現象への影響に関して、本年度は以下の成果を得た。当該年度に予定していた研究計画は、強磁性共鳴時の発熱量を効率よく増大させる方法を探索するというものであり、主に以下の二点の手法で探索を行った。①強磁性体における体積等のパラメータと発熱量の関係性の調査、②強磁性共鳴を励起するために印加する交流磁場の制御によって磁化の歳差軌道と発熱量の関係性の調査。まず、①に関しての成果を報告する。CoFeBの体積及び磁気ダンピング定数が発熱量に依存するか調査するために膜厚を5 nmから200 nmまで変化させ発熱量を測定した結果発熱量は膜厚が125 nm付近まで膜厚に対して線形増加しており、その後減少する傾向を確認した。一方、発熱量の増加とともに増加すると期待していた磁気ダンピング定数は減少していく結果となった。現段階では磁気ダンピング定数の減少及び、高膜厚領域における減少傾向の原因は分かっておらず、磁気ダンピング定数が大きいFe3O4等を用いて更なる調査を行う予定である。次に、②に関しての結果を報告する。まず、高強度な交流磁場を生成するために素子構造の最適化によりインピーダンスの調整を行った。これにより従来用いていた素子構造の20倍程度大きな交流磁場の生成が可能となった。強磁性共鳴時の発熱量もこれに伴い大きく増加した。ここで、当初の計画ではマイクロマグネティクスシミュレーションによって歳差軌道と発熱量の関係を詳細に調査する予定だったが、当初の予定では想定されていなかった低磁場領域での発熱現象を確認したため、これに関する調査を優先して行った。低磁場領域での発熱現象はマイクロ波加熱によるものとパラメトリック励起されたスピン波によるものであることがわかった。これら二つの発熱現象については現在調査中である。
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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
当該年度に予定していた研究計画は、強磁性共鳴時の発熱量を効率よく増大させる方法を探索するというものであり、以下の二点をもとに概ね順調に進んでいると評価できる。①まず、発熱量が強磁性体の体積増加に伴い増加することが明らかになり、発熱量増大への大きな指針ができた。磁気ダンピング定数の減少及び、高膜厚領域では逆に減少していく傾向も観測されたが、今後の研究によってこれらの原因も明らかにし、効率的な発熱量増大の手法の確立が期待される。②次に、高強度な交流磁場印加による歳差軌道の変化及びこれに伴う発熱量の変化を調査した。高強度な交流磁場を印加するためには素子のインピーダンスを調整する必要があるが、素子構造の最適化により従来の２０倍程度の交流磁場を生成することに成功した。この結果、交流磁場強度に伴う発熱量の増大が確認されただけでなく、強磁性共鳴よりが励起される磁場よりも低磁場側で新たな発熱現象が確認された。当該年度の研究計画ではマイクロマグネティクスシミュレーションによって強磁性共鳴時の歳差軌道と発熱量の関係を調査する予定であったが、デバイス応用が容易となりうる低磁場側での発熱量の調査を先に行うため研究計画を変更した。低磁場領域での発熱現象はマイクロ波加熱によるものとパラメトリック励起されたスピン波によるものであることがわかった。さらに、独自の測定手法によって、これら二つの発熱現象における動的スピン注入現象の観測にも成功した。これら二つの発熱現象については現在調査中であり、マイクロ波加熱における渦電流損失やスピン波に大きくな寄与がある磁気ダンピング定数に焦点をあてることで発熱メカニズムの調査を進めていく予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
年度及び次年度では以下のような研究計画で研究を進めていく。①高性能なシミュレーション用ＰＣを購入し、マイクロマグネティクスによる磁化の歳差運動のシミュレーションを行う。これによって、磁化の歳差運動と強磁性共鳴に伴う発熱量の関係性を明らかにし、発熱量の増大を試みる。特に、高強度な磁場を印加させた場合、前年度で確認したように非線形な共鳴が現れる。この非線形な共鳴においても発熱現象が確認できており、歳差軌道との関係性を調査する。②強磁性共鳴を用いた動的熱スピン注入をデバイスへ応用していく際に最も重要な障壁となりうる問題点として高磁場が必要であることが挙げられる。これに関して、前年度で明らかにした強磁場が不要なマイクロ波照射に伴う強磁性体発熱効果による動的熱スピン注入現象の原理を詳細に解明することでその効率を上昇させることを試みる。特にマイクロ波照射に伴う強磁性体発熱効果には渦電流損失やヒステリシス損失の二つのメカニズムがあるとされており、これら二つを最適化することで発熱量の上昇が期待される。②さらに、この最適化に加え、超伝導体を用いることで強磁性体／超伝導体界面に高強度渦な渦電流を発生させることで渦電流損失による発熱の飛躍的増大を試みる。ここで、超伝導体として転移温度の高い酸化物超伝導体であるYBCOを用いる。ここで、YBCOのスパッタリングターゲット作成のためにマッフル炉を購入する。また、スパッタリングによる薄膜化に際し、結晶成長に必要なMgO等の単結晶基板も購入する。③以上で得られた知見をもとに強磁性共鳴発熱効果及びマイクロ波照射に伴う加熱効果を最適化することで、動的熱スピン注入量を増大させる。また、高強度なスピン流の生成を確認するため、スピン流注入磁化反転を実証する。以上の研究計画に基づいて革新的なスピンカロリトロニクスデバイスを実現させる。
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