Ultrafast control of antiferromagnetic nanostructures

2023 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22KK0072
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 山根 結太 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (30586863)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 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) ; 好田 誠 東北大学, 工学研究科, 教授 (00420000)
• Project Period (FY): 2022-10-07 – 2025-03-31
• Keywords: スピントロニクス / 反強磁性体

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、反強磁性ナノ構造を対象として、その電流誘起高速磁気ダイナミクスの制御に挑むものである。磁気デバイスの飛躍的な高速化(テラヘルツ領域)を実現しうる材料物質として、反強磁性物質が近年注目を集めている。しかし、超高速領域での磁気ダイナミクスについては未解明な部分も多く、テラヘルツで反強磁性体を電気的に制御する手段は確立されていない。本研究の目的は、カイラル反強磁性体において最近見出されたスピン流誘起恒常回転励起に着目し、これを電気的パルスにより精密制御することで、反強磁性ナノ構造の高速磁気構造スイッチングへの道を拓くことである。国内グループが有するスピン流物理研究の知見および高品質反強磁性薄膜の作製技術を、海外共同研究者(ロレーヌ大学)が有する高速磁気測定技術を組み合わせることで、本研究を実施する。
当該年度においては、代表者が仙台にて国際ワークショップを主催し、そこにロレーヌ大学から2名を招待講演者として招聘している。また、代表者がロレーヌ大学へ渡航滞在し、セミナーおよび綿密な研究打合せを実施している。こうした国際共同研究・人材交流を基盤として現在、カイラル反強磁性体薄膜における超高速磁化ダイナミクスを光学的手法により捉えることに成功しており、この成果は応用物理学会学術講演等にて発表済みである。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

当初の計画にない、新しい研究進展として、人工的な反強磁性システムである積層反強磁性薄膜(同種の２つの強磁性体薄膜が非磁性薄膜をはさんで反強磁性的に結合したもの)における電流誘起磁化反転ダイナミクスについて、理論・実験成果が得られた。この成果は複数の国内・国際学会で発表され、2023 IEEE International Magnetic Conference - INTERMAG Short Papers, pp. 1-2 (2023)に出版されている。

Strategy for Future Research Activity

研究代表者らが引き続きロレーヌ大学に定期的に渡航するとともに、先方から研究者を招聘する人材交流をさらに加速させることで、共同研究をより強力に推進していく。具体的には、山根(研究代表者)が研究総括、数値シミュレーションに基づく実験設計、および実験結果の理論解析を行う。竹内(研究分担者)・好田 (研究分担者)が素子作製から素子の基礎物性評価・スピン輸送特性評価までを行う。磁性材料成膜から加工・熱処理、素子評価までの工程を、東北大学にて行う。現在、ロレーヌ大学にてStephane Mangin氏(海外共同研究者)のサポートのもと検討・実施中の測定実験からのフィードバックに基づき、理論モデルおよび素子試料のさらなる改良に取り組む。

Causes of Carryover

本研究課題の進捗状況（想定外の成果等含む）を鑑みて、今年度は東北大学、ロレーヌ大学それぞれにおいて可能な理論及び実験研究に注力し、翌年度により長期的かつ頻繁な人材交流を集中的に行うことがより効率的であると判断した。次年度使用額は、研究計画のさらなる加速に必要となる旅費・物品費を中心に使用する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ロレーヌ大学(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: ロレーヌ大学
• [Int'l Joint Research] マインツ大学(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: マインツ大学
• [Journal Article] Current-induced magnetization switching in magnetic multilayers with interlayer exchange coupling by dual spin-orbit torque (2023)
  • Author(s): Masuda Hiroto、Yamane Yuta、Seki Takeshi、Raab Klaus、Dohi Takaaki、Modak Rajkumar、Uchida Ken-ichi、Ieda Jun’ichi、Kl?ui Mathias、Takanashi Koki
  • Journal Title: 2023 IEEE International Magnetic Conference - Short Papers Volume: － Pages: －
  • DOI: 10.1109/INTERMAGShortPapers58606.2023.10228598
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Emergent electromagnetic inductance of spintronics-effects origin (2024)
  • Author(s): Yuta Yamane
  • Organizer: Institut Jean Lamour Seminar
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Spin-pumping driven by non-linear harmonic generation (2024)
  • Author(s): A. Sud, T. Dohi, M. Cubukcu, K. V. De Zoysa, Y. Yamane, S. Kanai, S. Fukami
  • Organizer: International Symposium on Quantum Electronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Size dependence of thermal stability factor in non-collinear antiferromagnet Mn3Sn annodot (2024)
  • Author(s): Y. Sato, Y. Takeuchi, Y. Yamane, J.-Y. Yoon, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, S. Fukami
  • Organizer: Iwate Spintronics School
  • 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, S. Fukami
  • Organizer: Iwate Spintronics School
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Extended Stoner-Wohlfarth model for synthetic ferrimagnetic thin films (2024)
  • Author(s): Y. Yamane, H. Masuda, J. Ieda, T. Seki
  • Organizer: APS March Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermal stability of non-collinear antiferromagnet Mn3Sn nanoscale single dots (2024)
  • Author(s): Y. Sato, Y. Takeuchi, Y. Yamane, J.-Y. Yoon, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, S. Fukami
  • Organizer: 第27回半導体におけるスピン工学の基礎と応用 (PASPS-27)
• [Presentation] Field-like torque origin of the unconventional spin Hall magnetoresistance in a non-collinear antiferromagnet (2024)
  • Author(s): T. Uchimura, J. Han, P. Tang, J.-Y. Yoon, Y. Takeuchi, Y. Yamane, S. Kanai, G. E. W. Bauer, H. Ohno, S. Fukami
  • Organizer: 第27回半導体におけるスピン工学の基礎と応用 (PASPS-27)
• [Presentation] Field-like torque origin of the unconventional spin Hall magnetoresistance in a non-collinear antiferromagnet (2024)
  • Author(s): T. Uchimura, J. Han, P. Tang, J.-Y. Yoon, Y. Takeuchi, Y. Yamane, S. Kanai, G. E. W. Bauer, H. Ohno, S. Fukami
  • Organizer: スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワーク(Spin-RNJ)シンポジウム
• [Presentation] Time-resolved magneto-optical Kerr effect for antiferromagnetic Mn3Sn films with perpendicular magnetic anisotropy (2024)
  • Author(s): Z. Jin, T. Uchimura, S. Iihama, Y. Yamane, J. Igarashi, S. Fukami, S. Mizukami
  • Organizer: スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワーク(Spin-RNJ)シンポジウム
• [Presentation] Current-induced hysteresis loop shift in non-collinear antiferromagnetic heterostructure (2024)
  • Author(s): T. Uchimura, Y. Yamane, T. Dohi, J. Han, J.-Y. Yoon, Y. Sato, S. Wakabayashi, Y. Takeuchi, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, S. Fukami
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] Time-resolved magneto-optical Kerr effect for antiferromagnetic Mn3Sn films with perpendicular magnetic anisotropy (2024)
  • Author(s): Z. Jin, T. Uchimura, S. Iihama, Y. Yamane, J. Igarashi, S. Fukami, S. Mizukami
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Current-induced magnetization switching in magnetic multilayers with interlayer exchange coupling by dual spin-orbit torque (2023)
  • Author(s): H. Masuda, Y. Yamane, T. Seki, K. Raab, T. Dohi, R. Modak, K. Uchida, J. Ieda, M. Klaui, K. Takanashi
  • Organizer: Intermag 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 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, S. Fukami
  • Organizer: 第84回応用物理学会 秋季学術講演会
• [Presentation] Interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction in a non-collinear antiferromagnet/ heavy metal heterostructure (2023)
  • Author(s): T. Uchimura, Y. Yamane, T. Dohi, J. Han, J.-Y. Yoon, Y. Sato, S. Wakabayashi, Y. Takeuchi, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, S. Fukami
  • Organizer: 第84回応用物理学会 秋季学術講演会
• [Presentation] ナノ構造磁性体における創発電磁応答の周波数特性 (2023)
  • Author(s): 家田淳一, 荒木康史, 山根結太
  • Organizer: 第47回日本磁気学会学術講演会
• [Presentation] 多結晶Mn3Snナノドットの熱安定性のサイズ依存性 (2023)
  • Author(s): H. Kubota, Y. Sato, Y. Takeuchi, Y. Yamane, J.-Y. Yoon, T. Uchimura, S. Wakabayashi, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, S. Fukami
  • Organizer: 第42回電子材料シンポジウム
• [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, S. Fukami
  • 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. Dohi, J. Han, J.-Y. Yoon, Y. Sato, S. Wakabayashi, Y. Takeuchi, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, S. Fukami
  • Organizer: 68th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultrafast demagnetization of noncollinear antiferromagnet Mn3Sn (2023)
  • Author(s): Z. Jin, S. Iihama, T. Uchimura, Y. Yamane, J. Igarashi, S. Fukami, S. Mizukami
  • 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, 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