Control of current-induced Rashba torque

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21J22062
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 鈴木 隆起 慶應義塾大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2021-04-28 – 2024-03-31
• Keywords: スピントロニクス / スピン流 / スピン軌道トルク / イオン液体

Outline of Annual Research Achievements

本研究における目的は，スピントロニクスデバイスの新たな機能性を生み出すことであり，特に軌道流由来のトルクに着目し，そのトルクをイオンゲルのゲート効果によって電気的に制御することであった．これまでのスピントロニクスでは，Ptをはじめとした第6周期の常磁性重金属元素を用いてスピン流やスピン軌道相互作用に着目している研究が主流であったが，近年，軌道流の存在が理論的に明らかとなり，スピン軌道相互作用が小さいとされている材料を用いることで実験的にも示唆されつつある．軌道流の観測および制御は，スピントロニクス研究に新たなパラダイムを齎すことが期待される．
本研究のこれまでの実績として，以下の2つが挙げられる．１つ目に，イオン液体の選定とイオンゲルの最適化を行った．軌道流をゲート制御するために，電位窓や漏れ電流の観点で優れたI-V特性を有するイオンゲルを作製する必要があった．イオン液体DEME-TFSIおよびブロック共重合体を用いることで，先行論文に匹敵したI-V特性を有するイオンゲルの作製に成功した．2つ目に，軌道流を観測するにあたり，異なる2つの二次元ファンデルワールス材料を重ね合わせるというアプローチを取ることを考えたため，まずは新規の二次元ファンデルワールス強磁性材料であるFe5GeTe2を選択し，その磁気特性を調べた．現在，これまでの観測結果を成果にまとめている段階である．さらに，Fe5GeTe2の磁気特性を調べる工程で，二次元ファンデルワールス材料の微細加工プロセスも確立することができた．

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究の目標達成には，大きく分けて，「イオン液体の選定及びイオンゲルの最適化」，「軌道流生成材料の選定」，「イオンゲルによる軌道流のゲート制御」の三つが必要である．上記で述べた通り，「イオン液体の選定及びイオンゲルの最適化」を完了し，「軌道流生成材料の選定」の途中までを現在までに実施した．特に，「軌道流生成材料の選定」の過程で，新規の二次元ファンデルワールス強磁性材料であるFe5GeTe2の磁気特性に関して詳しく調べ，世界的にもまだ明らかとなっていない二次元ファンデルワールス強磁性材料の電子伝導メカニズムの解明をすることができる見通しであるため，おおむね順調に進展していると言える．以下に現在までの研究詳細を述べる．
【試料作成】Fe5GeTe2を用いて，窒素雰囲気下で機械的剥離を行い，フォトリソグラフィー法を用いて微細加工を行って電気的・磁気的測定が可能なデバイスを作成した．
【測定】原子間力顕微鏡を用いて，作成したデバイスにおけるFe5GeTe2の結晶膜厚を測定した．また，キュリー温度以下で，異常ホール抵抗および縦抵抗の測定を行った．
【結果・考察】これまでの測定により得られた異常ホール抵抗率と縦抵抗率の関係が，スケーリングの理論に従うかを明らかにすることを試みている．現段階までにまとめた結果では，Fe5GeTe2の磁気的振る舞いに応じて，電子伝導メカニズムが変化すると考察できる．

Strategy for Future Research Activity

本年度は，イオン液体の選定及びイオンゲルの最適化を行ってから，二次元ファンデルワールス強磁性材料であるFe5GeTe2の磁気特性に関して詳しく調べた．さらに，二次元ファンデルワールス材料の微細加工手法も確立したと言える．
次年度は，今年度で進めていた「軌道流生成材料の選定」の続きから始める．具体的には，Fe5GeTe2における異常ホール効果の観測結果から，二次元ファンデルワールス強磁性材料の電子伝導メカニズムを解明し，成果にまとめて査読付き論文誌や学会で報告するところから着手する．その後，これまでに磁気特性を調べた二次元ファンデルワールス強磁性材料であるFe5GeTe2と軌道流生成材料を用いて、微細加工をすることでデバイスを作成し，軌道流由来のトルクやその他の界面スピン特性の観測を試みる．本研究では，スピントルク強磁性共鳴測定を用いて，強磁性体にかかるトルクの定量を行う予定である．
さらに最終的には，「イオンゲルによる軌道流のゲート制御」として，Fe5GeTe2/軌道流生成材料の二層構造にイオンゲルのゲート効果を適応することで，軌道流由来のトルク及びその他の界面スピン特性の制御を行うことを想定している．