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2022 Fiscal Year Research-status Report

Joint research on control of information carrier magnetic quasiparticles

Research Project

Project/Area Number 22KK0056
Research InstitutionKyushu University

Principal Investigator

湯浅 裕美 (福澤裕美)  九州大学, システム情報科学研究院, 教授 (20756233)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 田中 輝光  九州大学, システム情報科学研究院, 准教授 (20423387)
黒川 雄一郎  九州大学, システム情報科学研究院, 助教 (20749535)
牙 暁瑞  九州大学, マス・フォア・インダストリ研究所, 学術研究員 (50912359) [Withdrawn]
Project Period (FY) 2022-10-07 – 2027-03-31
Keywordsスキルミオン / 情報キャリア / スピン軌道トルク
Outline of Annual Research Achievements

磁気準粒子スキルミオンの3大メリットである「微細化・高速転送・定電流駆動」を並立するため、独自の二重ヘテロ界面を導入した新しい積層構造において、磁性薄膜の磁気特性とスキルミオン生成の必要条件を系統的に明らかにする。本年度は、スキルミオン生成に必要なジャロシンスキ守屋相互作用と、高速転送・定電流駆動を得るためのスピン軌道トルク効率の高い積層体見出し、これの磁気特性の把握を行った。ジャロシンスキ守屋相互作用は空間非対称性のある時に得られるため、Coの上下が非対称であるPt/Co/Tb積層膜、更に対称性を増すべくタングステン(W)を追加したPt/Co/Tb/W積層膜を作成した。これらのスピン軌道トルクを測定したところ、Wを挿入することで、スピン軌道トルクを約4倍に増加することが出来た。これは同じ電流を流したときに速度が4倍になることを示す。ジャロシンスキ守屋相互作用とスピン軌道トルクの両立メカニズムを明らかにするため、微視的な磁化について調べた。Tbは単体では室温で磁化を持たないが、Coとの合金ではCoと逆向きに大きな磁気モーメントを持つ。本積層体では、Wの無い場合にTbに磁化が無く、Wの有る場合に磁化が有る事を示唆する巨視的な結果が得られた。より明確にするため、共同研究先であるスペインのCIC nanoGUNEに学生2名と短期滞在し、先方の研究者と共に磁気光学効果に基づく特殊な測定手法Generalized Magneto-Optics Ellipsometry (GME)によって、実際にWの有無でTbの磁化の有無が変わることを検証した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

最終目標は、磁気準粒子スキルミオンの3大メリットである「微細化・高速転送・定電流駆動」を並立することであり、方針はジャロシンスキ守屋相互作用とスピン軌道トルク効率の両立である。具体的な方策は、重金属層と磁性層の間に極薄の層を挿入してスピンミキシングコンダクタンスを増加することでスピン軌道トルクを向上しつつも、スキルミオン安定性に必要なジャロシンスキ守屋相互作用を維持することである。過去に別の物理現象であるスピンゼーベック効果やスピンホール磁気抵抗効果の観察により、スピンミキシングコンダクタンスを向上できた挿入層を手がかりに、複数種類の積層膜で挿入層がスピン軌道トルクとジャロシンスキ守屋相互作用に与える効果を調べた。Pt/Co/Tb積層膜ではWを挿入することにより、ジャロシンスキ守屋相互作用を損ねることなくスピン軌道トルクを増加することに成功した。これらは、磁化曲線、スピン軌道トルク磁化反転、磁気光学効果に基づく特殊な測定手法Generalized Magneto-Optics Ellipsometry (GME)により確認された。

Strategy for Future Research Activity

次年度は、2つの方針で進める。1つ目は、スピン軌道トルクとジャロシンスキ守屋相互作用の両立が出来た試料構成で、スキルミオンのサイズをKerr効果顕微鏡で観察できる程度まで大きくし、電流により駆動して観察する。スピン軌道トルク磁化反転によりその効率増加は認めているが、実際の準粒子が低電流で高速転送できることを実証する。2つ目は、積層体の構造探索である。実は別テーマとして積層膜の基本構造が異なるシリーズで挿入層の効果を検証したが、そこではスピン軌道トルクが増加せず、加えてジャロシンスキ守屋相互作用が劣化するという悪い結果を得ている。これまでにスピンゼーベック効果やスピンホール磁気抵抗効果で見出した挿入層は、磁性層がY3Fe5O12(YIG)という酸化物磁性体の場合に効果を示したものである。これに対し、磁気準粒子の実験では磁性層がCoなどであり、挿入層の選択を一から見直す必要がある可能性もある。現在は幾つかの材料で試行しているが、これらを総括して材料選択レシピを作成したい。次年度はこれの礎となるような結果を収集する。
さらに、次年度は共同研究相手が本学を訪問し、短期滞在する予定である。研究員の密な交流から研究促進を図る。

Causes of Carryover

次年度使用額が生じた理由は、物品に係る経費節約につとめた事と、共同研究先との往来がコロナ禍の影響で限定的であった事である。
次年度は、進行中の共同研究機関(スペイン)から若手研究員が九州大学に滞在する計画である。さらに、新たな共同研究先(イギリス)への学生と若手研究者の派遣を計画している。

  • Research Products

    (22 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (7 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 4 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results)

  • [Int'l Joint Research] CIC nanoGUNE(スペイン)

    • Country Name
      SPAIN
    • Counterpart Institution
      CIC nanoGUNE
  • [Journal Article] The 2022 applied physics by pioneering women: a roadmap2023

    • Author(s)
      Begona Abad et al.
    • Journal Title

      Journal of Physics D: Applied Physics

      Volume: 56 Pages: 073001~073001

    • DOI

      10.1088/1361-6463/ac82f9

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] High-frequency spin torque oscillation in orthogonal magnetization disks with strong biquadratic magnetic coupling2023

    • Author(s)
      Liu C.、Kurokawa Y.、Hashimoto N.、Tanaka T.、Yuasa H.
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13 Pages: 3631~3631

    • DOI

      10.1038/s41598-023-30838-y

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Operating characteristics of domain walls in perpendicularly magnetized ferrimagnetic cylindrical nano-wires for three-dimensional magnetic memory2023

    • Author(s)
      Kurokawa Yuichiro、Yuasa Hiromi
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 62 Pages: SC1070~SC1070

    • DOI

      10.35848/1347-4065/acb828

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Inversion symmetry breaking in spin orbit torque-induced magnetization switching to improve the recording density of multi-level magnetoresistive random-access memory2023

    • Author(s)
      Uraku Kamihoki, Masahiro Fujimoto, Kurokawa Yuichiro、Yuasa Hiromi
    • Journal Title

      Journal of Applied Physics

      Volume: 133 Pages: 143902~143902

    • DOI

      10.1063/5.0131540

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Ultra-wide-band millimeter-wave generator using spin torque oscillator with strong interlayer exchange couplings2022

    • Author(s)
      Kurokawa Yuichiro、Yamada Keisuke、Taniguchi Tomohiro、Horiike Shu、Tanaka Terumitsu、Yuasa Hiromi
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 12 Pages: 10849~10849

    • DOI

      10.1038/s41598-022-15014-y

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Sensitivity and reproducibility of transverse magneto-optical Kerr effect (T-MOKE) ellipsometry2022

    • Author(s)
      Martin Valderrama Carmen、Quintana Mikel、Martinez-de-Guerenu Ane、Yamauchi Tomoki、Hamada Yuki、Kurokawa Yuichiro、Yuasa Hiromi、Berger Andreas
    • Journal Title

      Journal of Physics D: Applied Physics

      Volume: 55 Pages: 435007~435007

    • DOI

      10.1088/1361-6463/ac893d

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Scalable spin Seebeck thermoelectric generation using Fe-oxide nanoparticle assembled film on flexible substrate2022

    • Author(s)
      Kurokawa Yuichiro、Tahara Yusuke、Hamada Yuki、Fujimoto Masahiro、Yuasa Hiromi
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 12 Pages: 16605~16605

    • DOI

      10.1038/s41598-022-21200-9

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Improvement of Spin-Orbit Torque for high speed Operation of Tb/Co-based skyrmions2023

    • Author(s)
      Kazuhiko Tokunaga, Yuichiro Kurokawa, Lin Zhang, Ryuta Satone, Hiromi Yuasa
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Flexible spin device on dimethylpolysiloxane sheet,2023

    • Author(s)
      Seiya Oishi, Yuichiro Kurokawa, Hiromi Yuasa,
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会,
  • [Presentation] Investigation of flexible magnetoresistive device using giant magnetoresistance2023

    • Author(s)
      Yuichiro Kurokawa, Hiromi Yuasa
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Numerical study on skyrmion transport with small size and high speed2023

    • Author(s)
      Ryuta Satone, Yuichiro Kurokawa, Hiromi Yuasa
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Thermoelectric effect in YIG/Co-Ru/Pt systems2023

    • Author(s)
      Yuka Ikeda, Yuki Hamada, Yuichiro Kurokawa, Carmen Valderrama, Andreas Berger, Hiromi Yuasa
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Double heterostructure in Pt/Ni/Co system for skyrmion with small size and fast transport2023

    • Author(s)
      Lin Zhang, Kazuhiko Tokunaga, Ryuta Satone, Yuichiro Kurokawa, Takehiro Tamaoka, Yuto Tomita, Yasukazu Murakami, Hiromi Yuasa
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 交換バイアスを印加したTb-Fe層における無磁場中スピンオービットトルク磁化反転の観察2022

    • Author(s)
      黒川雄一郎, 若江将和, 濵田勇樹, 藤本真大, 伊藤正裕, 湯浅裕美
    • Organizer
      第45回日本磁気学会学術講演会
  • [Presentation] シミュレーションによるCoFeBおよびGdCo上のスキルミオンの数値的評価2022

    • Author(s)
      佐藤根隆太, 黒川雄一郎, 湯浅裕美
    • Organizer
      電気関係学会九州支部第75回連合大会
  • [Presentation] Double heterostructure introduction in Pt/Ni/Co system for skyrmion with small size and fast transport2022

    • Author(s)
      Lin Zhang, Ryuta Satone, Xiaorui Ya, Yuichiro Kurokawa, Takehiro Tamaoka, Yuto Tomita, Hongye Gao, Satoshi Hata, Yasukazu Murakami, Terumitsu Tanaka, Hiromi Yuasa
    • Organizer
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] Investigation of Multileveled Spin Orbit Torque Magnetization Switching for High Density Magnetic Memory2022

    • Author(s)
      Uraku kamihoki, Yuichiro Kurokawa, Masahiro Fujimoto, Masahiro Itoh, Hiromi Yuasa
    • Organizer
      2022 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Operating characteristics of domain walls in perpendicular magnetized ferrimagnetic nano-pillar for three-dimensional magnetic memory2022

    • Author(s)
      Yuichiro Kurokawa, Hiromi Yuasa
    • Organizer
      2022 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Spin Torque Oscillation in Orthogonal Magnetization Disks with 90° magnetic coupling2022

    • Author(s)
      C. Liu, Y. Kurokawa, N. Hashimoto, T. Tanaka, H. Yuasa
    • Organizer
      24th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces (ICMFS)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Investigation of shifting threshold current density of spin orbit torque magnetization switching2022

    • Author(s)
      K. Uraku, M. Fujimoto, M. Ito, Y. Kurokawa, H. Yuasa
    • Organizer
      24th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces (ICMFS)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Double heterostructure introduction in Pt/CoFeB system for skyrmion with small size and fast transport2022

    • Author(s)
      Z. Ling, R. Satone, Y. Kurokawa, H. Yuasa
    • Organizer
      24th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces (ICMFS)
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2023-12-25  

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