界面磁性を利用したスピン変換現象の研究

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: nano spin conversion science
• Project/Area Number: 17H05182
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 三輪 真嗣 東京大学, 物性研究所, 准教授 (20609698)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: スピントロニクス

Outline of Annual Research Achievements

最終年度はトンネル接合デバイスにおけるトンネル分光に注力した。トンネル分光測定を行うと状態密度を議論できる。具体的には5d元素であるPtをFe/MgO界面に挿入したトンネル接合デバイスを作製した。Pt挿入の効果を明確にするため、Pt膜厚を0原子層から1原子層程度までこまめに変化させた傾斜膜を用いた。トンネル分光測定には自作の微分回路を用いて2次微分コンダクタンスを直接測定した。
結果としてFe/Pt/MgOではFe/MgOで観測された量子井戸に加えて、Pt挿入に由来する界面電子状態が存在することがわかった。そしてこの界面電子状態はPtを1原子層挿入したときに最大化されることもわかった。Fe/Pt/MgOトンネル接合ではPtを1原子層挿入したときにスピントルクが最大化されるため、スピントルクの増大は界面電子状態の形成と結びついていることを強く示唆する結果である。第一原理計算からは実験同様にPt挿入により界面電子状態がフェルミ面近傍に生成されることがわかった。さらに透過電子線顕微鏡による構造解析からはPtの1原子層がFe/MgO界面に存在し、実験に用いたデバイスが理論解析に耐えうる品質を有していることが示された。第一原理計算結果を詳細に解析すると、Pt挿入によりPtのみならずFe層にも新たな電子状態が生成されているという驚くべき知見を得た。
同様の実験をFe/Bi/MgO接合でも行った。しかしFe/Pt/MgOのような界面電子状態の生成は確認できなかった。これはスピントルクの実験においてFe/Pt/MgOではFe/MgOに対しトルクの増強があったことに対し、Fe/Bi/MgOではFe/MgOとほぼ同様のトルクしか得られなかったことと関係があると考えられる。なお透過電子顕微鏡による構造解析からはFe/Bi/MgOデバイスにおけるBiはFe/MgO界面に存在することを確認しており、PtとBiとで結果が大きく異なったことは5d元素と6p元素の違いを示しており大変興味深い。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] IIT Bombay(インド)
  • Country Name: INDIA
  • Counterpart Institution: IIT Bombay
• [Journal Article] Interface resonance in Fe/Pt/MgO multilayer structure with large voltage controlled magnetic anisotropy change (2019)
  • Author(s): Jibiki Y.、Goto M.、Tsujikawa M.、Risius P.、Hasebe S.、Xu X.、Nawaoka K.、Ohkubo T.、Hono K.、Shirai M.、Miwa S.、Suzuki Y.
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 114 Pages: 082405(1-5)
  • DOI: 10.1063/1.5082254
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Magnetic anisotropy of ferromagnetic metals in low-symmetry systems (2019)
  • Author(s): Suzuki Yoshishige、Miwa Shinji
  • Journal Title: Physics Letters A Volume: 383 Pages: 1203-1206
  • DOI: 10.1016/j.physleta.2019.01.020
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantitative and systematic analysis of bias dependence of spin accumulation voltage in a nondegenerate Si-based spin valve (2019)
  • Author(s): Lee Soobeom、Rortais Fabien、Ohshima Ryo、Ando Yuichiro、Miwa Shinji、Suzuki Yoshishige、Koike Hayato、Shiraishi Masashi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 99 Pages: 064408(1-6)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.99.064408
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spin Relaxation Enhanced by Decorating Cu Surfaces With Lead (II) Phthalocyanine Molecules (2018)
  • Author(s): Takizawa S.、Kondou K.、Isshiki H.、Shimose K.、Kawabe T.、Miwa S.、Otani Y.
  • Journal Title: IEEE Transactions on Magnetics Volume: 54 Pages: 4100304(1-4)
  • DOI: 10.1109/TMAG.2018.2846364
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Evaluation of memory capacity of spin torque oscillator for recurrent neural networks (2018)
  • Author(s): Tsunegi Sumito、Taniguchi Tomohiro、Miwa Shinji、Nakajima Kohei、Yakushiji Kay、Fukushima Akio、Yuasa Shinji、Kubota Hitoshi
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 57 Pages: 120307(1-5)
  • DOI: 10.7567/JJAP.57.120307
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Voltage-controlled magnetic anisotropy and voltage-induced Dzyaloshinskii-Moriya interaction change at the epitaxial Fe(001)/MgO(001) interface engineered by Co and Pd atomic-layer insertion (2018)
  • Author(s): Suwardy Joko、Nawaoka Kohei、Cho Jaehun、Goto Minori、Suzuki Yoshishige、Miwa Shinji
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 98 Pages: 144432(1-8)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.98.144432
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Macromagnetic Simulation for Reservoir Computing Utilizing Spin Dynamics in Magnetic Tunnel Junctions (2018)
  • Author(s): Furuta Taishi、Fujii Keisuke、Nakajima Kohei、Tsunegi Sumito、Kubota Hitoshi、Suzuki Yoshishige、Miwa Shinji
  • Journal Title: Physical Review Applied Volume: 10 Pages: 034063(1-9)
  • DOI: 10.1103/PhysRevApplied.10.034063
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of Electric Field on the Exchange-Stiffness Constant in a Co12Fe72B16 Disk-Shaped Nanomagnet 65 nm in Diameter (2018)
  • Author(s): Cho Jaehun、Miwa Shinji、Yakushiji Kay、Kubota Hitoshi、Fukushima Akio、You Chun-Yeol、Yuasa Shinji、Suzuki Yoshishige
  • Journal Title: Physical Review Applied Volume: 10 Pages: 014033(1-7)
  • DOI: 10.1103/PhysRevApplied.10.014033
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Voltage-Controlled Magnetic Anisotropy in Fe1-xCox/Pd/MgO system (2018)
  • Author(s): Shukla Amit Kumar、Goto Minori、Xu Xiandong、Nawaoka Kohei、Suwardy Joko、Ohkubo Tadakatsu、Hono Kazuhiro、Miwa Shinji、Suzuki Yoshishige
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Pages: 10362(1-6)
  • DOI: 10.1038/s41598-018-28445-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Observation of Anomalous Spin Torque Generated by a Ferromagnet (2018)
  • Author(s): Bose Arnab、Lam D.D.、Bhuktare S.、Dutta S.、Singh H.、Jibiki Y.、Goto M.、Miwa S.、Tulapurkar A.A.
  • Journal Title: Physical Review Applied Volume: 9 Pages: 064026(1-11)
  • DOI: 10.1103/PhysRevApplied.9.064026
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Thermally Generated Spin Signals in a Nondegenerate Silicon Spin Valve (2018)
  • Author(s): Yamashita Naoto、Ando Yuichiro、Koike Hayato、Miwa Shinji、Suzuki Yoshishige、Shiraishi Masashi
  • Journal Title: Physical Review Applied Volume: 9 Pages: 054002(1-9)
  • DOI: 10.1103/PhysRevApplied.9.054002
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Tunnel spectroscopy on interface-controlled magnetic tunnel junctions (2019)
  • Author(s): 三輪真嗣, 地引勇磨, 辻川雅人, 後藤穣, 藤本純治, Philipp Risius, 長谷部晶大, Xiandong Xu, 大久保忠勝, 宝野和博, 白井正文, 鈴木義茂
  • Organizer: 平成30年度スピン変換年次報告会
• [Presentation] Observation of inverse Edelstein effect at Cu/Lead(II) phthalocyanine interface with several capping materials (2019)
  • Author(s): 中田真史, 近藤浩太, 一色弘成, 河辺健志, 三輪真嗣, 大谷義近
  • Organizer: 平成30年度スピン変換年次報告会
• [Presentation] 分子/金属界面を用いたスピントロニクスデバイス (2019)
  • Author(s): 三輪真嗣
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会, シンポジウム「有機分子と表面の出会いがもたらす多体相関物性」
  • Invited
• [Presentation] PbPc/Cu界面における逆エデルシュタイン効果測定のキャッピング材料依存性 (2019)
  • Author(s): 中田真史, 近藤浩太, 一色弘成, 河辺健志, 三輪真嗣, 大谷義近
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] スピントルク発振素子の短時間記憶容量 (2019)
  • Author(s): 常木澄人, 谷口知大, 三輪真嗣, 中嶋浩平, 薬師寺啓, 福島章雄, 湯浅新治, 久保田均
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Spin-charge conversion in highly oriented bismuth using spin-torque ferromagnetic resonance (2019)
  • Author(s): 松島真之, 安藤裕一, 大島諒, Sergey Dushenko, 重松英, 河辺健志, 新庄輝也, 三輪真嗣, 白石誠司
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] The effect of voltage on reservoir computing performance of a spin torque oscillator (2019)
  • Author(s): 常木澄人, 谷口知大, 三輪真嗣, 中嶋浩平, 薬師寺啓, 福島章雄, 湯浅新治, 久保田均
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Voltage control of magnetic anisotropy in Mn inserted Magnetic tunnel junction (2019)
  • Author(s): 渡壁翼, 後藤穣, 三輪真嗣, 鈴木義茂
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Electric-field-induced change of perpendicular magnetic anisotropy at metal/dielectric interface (2019)
  • Author(s): Shinji Miwa
  • Organizer: Topological Phases and Functionality of Correlated Electron Systems (TPFC2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 界面スピンオービトロニクス-磁気異方性の基礎と応用- (2019)
  • Author(s): 三輪真嗣
  • Organizer: 東京大学物性研究所談話会
• [Presentation] スピンダイナミクスによるレザバコンピューティング (2019)
  • Author(s): 三輪真嗣
  • Organizer: 東北大学電気通信研究所 共同プロジェクト研究会
• [Presentation] Inter-dot coupling of nanomagnets array reservoir computing (2019)
  • Author(s): T. Furuta, H. Nomura, E. Tamura, M. Goto, S. Miwa, Y. Kuwabiraki, K. Tsujimoto, R. Nakatani, and Y. Suzuki
  • Organizer: International School on Spintronics and Korea-Japan Workshop - Topological Phenomena in Magnetism -
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evaluation of short-term memory of spin torque oscillator with random voltage pulses (2019)
  • Author(s): S. Tsunegi, T. Taniguchi, S. Miwa, K. Nakajima, K. Yakushiji, A. Fukushima, S. Yuasa, and H. Kubota
  • Organizer: 2019 Joint MMM-Intermag Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Voltage-controlled magnetic anisotropy and voltage-induced Dzyaloshinskii-Moriya interaction change in Fe, Co, Ni and Pd (2019)
  • Author(s): J. Suwardy, K. Nawaoka, M. Goto, Y. Suzuki, and S. Miwa
  • Organizer: 2019 Joint MMM-Intermag Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] スピンダイナミクスによるレザバコンピューティング (2018)
  • Author(s): 三輪真嗣
  • Organizer: 第2回CSRN-Tokyo Workshop 2018「スピン、ニューロモルフィック・コンピューティング」
• [Presentation] Voltage control of interfacial spin-orbit phenomena (2018)
  • Author(s): S. Miwa
  • Organizer: 2018 KPS Fall Meeting Pioneer Symposia “Symposium on Interface Spin-Orbitronics”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] X-ray absorption spectroscopy for voltage-controlled magnetic anisotropy effect (2018)
  • Author(s): S. Miwa, M. Suzuki, M. Tsujikawa, K. Matsuda, T. Nozaki, K. Tanaka, T. Tsukahara, T. Kawabe, K. Nawaoka, M. Goto, Y. Kotani, T. Ohkubo, E. Tamura, K. Hono, T. Nakamura, M. Shirai, S. Yuasa, and Y. Suzuki
  • Organizer: NIMS Academic Symposium Magnetic Materials Innovations (NIMS WEEK 2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 遷移金属及び分子による磁性界面制御 (2018)
  • Author(s): 三輪真嗣
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会: シンポジウム「スピントロニクス材料研究の新潮流～二次元系を中心に～」
  • Invited
• [Presentation] Non-linearity in reservoir computing with nanomagnet array (2018)
  • Author(s): 古田大志, 野村光, 後藤穣, 三輪真嗣, 鍬開雄規, 中谷亮一, 鈴木義茂
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Voltage-controlled magnetic anisotropy in ultrathin nickel (2018)
  • Author(s): 河辺健志, 宮風里紗, 塚原拓也, 小谷佳範, 豊木研太郎, 後藤穣, 中村哲也, 鈴木義茂, 三輪真嗣
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Hysteretic magnetoresistance of Pt covered with monolayer Fe-phthalocyanine (2018)
  • Author(s): 下瀬弘輝, 榎涼斗, 蒲生寛武, 河辺健志, 塚原拓也, 小谷佳範, 豊木研太郎, 中村哲也, 後藤穣, 鈴木義茂, 新田淳作, 好田誠, 三輪真嗣
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Voltage-controlled magnetic anisotropy of Co1-xNix ultrathin alloy at interface with MgO (2018)
  • Author(s): Joko Suwardy, 後藤穣, 鈴木義茂, 三輪真嗣
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] PbPcで修飾されたCu表面を用いたEdelstein磁気抵抗効果の測定 (2018)
  • Author(s): 茂木優樹, 金俊延, 瀧澤誓, 近藤浩太, 下瀬弘輝, 河辺健志, 三輪真嗣, 一色弘成, 大谷義近
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] SiスピンMOSFETでのスピン信号のバイアス依存性 (2018)
  • Author(s): 李垂範, Rortais Fabien, 安藤裕一郎, 三輪真嗣, 鈴木義茂, 小池勇人, 白石誠司
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] 放射光を利用した電圧誘起磁気異方性変調の研究 (2018)
  • Author(s): 三輪真嗣
  • Organizer: 第7回実用スピントロニクス新分野創成研究会
  • Invited
• [Presentation] The origin of electric-field-induced change of magnetocrystalline anisotropy in metallic multilayered structures (2018)
  • Author(s): S. Miwa
  • Organizer: 23rd International Colloquim on Magnetic Films and Surfaces (ICMFS 2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Enhanced spin relaxation and spin-to-charge conversion at the surface of Cu thin film decollated with molecules (2018)
  • Author(s): S. Takizawa, K. Kondou, H. Isshiki, K. Shimose, T. Kawabe, S. Miwa, and Y. Otani
  • Organizer: INTERMAG 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 電界誘起磁気異方性変化のX線磁気円二色性分光による検討 (2018)
  • Author(s): 三輪真嗣
  • Organizer: 第6回界面スピン軌道結合研究会 - 界面四極子相互作用の徹底討論 -
• [Presentation] Quantum spintronics for application (2018)
  • Author(s): S. Miwa
  • Organizer: International Workshop: Novel Phenomena in Quantum Materials driven by Multipoles and Topology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 東京大学物性研究所三輪研究室
  • URL: https://miwa.issp.u-tokyo.ac.jp/