超短時間多層磁性薄膜内エネルギー散逸過程と全光型磁化反転機構の解明

• Project/Area Number: 16J01232
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Applied materials
• Research Institution: Nihon University
• Principal Investigator: 吉川 大貴 日本大学, 大学院理工学研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2016-04-22 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,300,000); Fiscal Year 2017: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2016: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
• Keywords: 全光型磁化反転現象 / 超短時間 / 希土類遷移金属合金薄膜 / 電子比熱 / エネルギー散逸 / 全光型磁化反転 / ピコ秒 / サブピコ秒 / フェムト秒パルスレーザー / 非平衡

Outline of Annual Research Achievements

本課題の主題は、フェムト秒パルスレーザーの照射のみで誘起される磁場に依存しない特異な磁化反転現象「全光型磁化反転現象(AOS)」の反転機構を解明・応用指針を示すことである。対象とする時間領域(ps程度)では金属においても従来の熱力学的描像では扱えない。本研究ではこの時間領域における、対象試料(希土類遷移金属アモルファス合金フェリ磁性薄膜)内の電子系・スピン系・格子系の系内、系間で複雑な構造・相互作用の超短パルス光照射後の非平衡な超短時間領域のエネルギー散逸過程を、特に試料構造・材料の検討と光・磁気計測の組み合わせによって明らかにするという特徴的な手法により遂行した研究である。
2年目となる本年度は、昨年度の検討で得た電子比熱という着想につき更に検討を進めた。特に、超短時間非平衡領域での電子温度勾配に基づくエネルギー散逸特性制御という新規観点から、熱温度変換機能層として電子比熱の異なる隣接材料を付加し、実際に対象磁性層内のAOS発現効率上昇を確認した。これは多層膜化によるエネルギー散逸モデルという観点からも、応用観点からも意義のある知見を得、論文や研究会誌として発表した。
さらに上記検討にもとづき、本エネルギー散逸特性に加えて、「強磁性材料と隣接したGdFeCo 薄膜試料群」、「電子構造、軌道の異なるRE-Fe, RE-FeCo (RE =Gd, Tb, Dy)の試料群」に対する研究を共同研究も併せた本研究過程で進め、GdFeCoをはじめとするRE-TM(TM =Fe, Co)の特異な磁気的構造を見出し、論文として発表した。この磁気的構造は伝導電子の能動的状態変化を目的にした電流印加・微細加工においても重要なものであり、今後の超短時間領域の磁気ダイナミクス研究の発展に大きく寄与するものである。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Determination of perpendicular magnetic anisotropy based on the magnetic droplet nucleation (2018)
  • Author(s): T. Nishimura, D. Kim, T. Okuno, Y. Hirata, Y. Futakawa, H. Yoshikawa, S. Kim, A. Tsukamoto, Y. Shiota, T. Moriyama, T. Ono
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. Volume: 57 Pages: 050308-050308
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Three-dimensional visualization of magnetic domain structure with strong uniaxial anisotropy via scanning hard X-ray microtomography (2018)
  • Author(s): M. Suzuki, Kab-Jin Kim, S. Kim, H. Yoshikawa, T. Tono, K. T. Yamada, T. Taniguchi, H. Mizuno, K. Oda, M. Ishibashi, Y. Hirata, T. Li, A. Tsukamoto, D. Chiba and T. Ono
  • Journal Title: Appl. Phys. Express Volume: 11 Pages: 036601-036601
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Temperature dependence of spin-orbit effective fields in Pt/GdFeCo bilayers (2017)
  • Author(s): W. S. Ham, S. Kim, D. Kim, K. Kim, T. Okuno, H. Yoshikawa, A. Tsukamoto, T. Moriyama, T. Ono
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. Volume: 110 Pages: 242405-242405
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 電子比熱に着目した金属多層膜化による全光型磁化反転の高効率励起 (2017)
  • Author(s): 吉川大貴, Souliman El Moussaoui, 寺下進之佑, 塚本新
  • Journal Title: マグネティクス研究会資料 Volume: MAG-17-029 Pages: 9-14
  • Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Magnetic layer thickness dependence of all-optical magnetization switching in GdFeCo thin films (2016)
  • Author(s): H. Yoshikawa, S. El. Moussaoui, S. Terashita, R. Ueda and A. Tsukamoto
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 55
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Temperature dependence of magnetoresistance in GdFeCo/Pt heterostructure (2016)
  • Author(s): T. Okuno, K-J. Kim, T. Tono, S. Kim, T. Moriyama, H. Yoshikawa, A. Tsukamoto and T. Ono
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 超短時間光物質作用と全光型磁化反転制御 (2018)
  • Author(s): 塚本新, 吉川大貴
  • Organizer: 電気学会全国大会シンポジウムS3「新規スピンデバイスに向けた光・熱・磁気間相互作用の基礎と応用」
  • Invited
• [Presentation] All-optical magnetization switching in GdFeCo/Pt (2018)
  • Author(s): H. Yoshikawa, Y. Futakawa, Y. Kasatani, S. El Moussaoui, A. Tsukamoto
  • Organizer: Magnetics and Optics Research International Symposium 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Influence of the transition metal on the magnetic properties of GdFeCo thin films for ultrafast magnetic recording (2018)
  • Author(s): S. El Moussaoui, H. Yoshikawa, T. Sato, A. Tsukamoto
  • Organizer: Magnetics and Optics Research International Symposium 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Modification of magnetic inhomogenious structure near the interfaces in amorphous GdFeCo ferrimagnetic thin film (2018)
  • Author(s): Y. Futakawa, H. Yoshikawa, Y. Kasatani, S. El Moussaoui, A.Tsukamoto
  • Organizer: Magnetics and Optics Research International Symposium 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spin-orbit torque in 4f-metal/RE-TM ferrimagnet heterostructures (2018)
  • Author(s): Y. Kasatani, H. Yoshikawa, Y. Futakawa, A. Tsukamoto
  • Organizer: Magnetics and Optics Research International Symposium 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] フェリ磁性体の角運動量補償温度近傍におけるスピントランスファトルク (2018)
  • Author(s): 奥野尭也, Duck-Ho Kim, Se-Hyeok Oh, 平田雄翔, 西村幸恵, Se Kwon Kim, 吉川大貴, 二川康宏, 塚本新, 塩田陽一, 森山貴広, Kab-Jin Kim, Kyung-Jin Lee, 小野輝男
  • Organizer: 日本物理学会 第73回年次大会
• [Presentation] フェリ磁性体GdFeCoの磁化補償温度と角運動量補償温度の相関関係 (2018)
  • Author(s): 平田雄翔, Duck-Ho Kim, 奥野尭也, 西村幸恵, Dae-Yun Kim, 二川康宏, 吉川大貴, 塚本新, Kab-Jin Kim, Sug-Bong Choe, 小野輝男
  • Organizer: 日本物理学会 第73回年次大会
• [Presentation] フェリ磁性体GdFeCoを用いた磁場駆動磁壁ダイナミクスにおける磁気特性とデピニング磁場の相関 (2018)
  • Author(s): 西村 幸恵, Kim Duck-Ho, 平田 雄翔, 奥野 尭也, 二川 康宏, 吉川 大貴, 塚本 新, 塩田 陽一, 森山 貴広, 小野 輝男
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] All-optical magnetization switching in GdFeCo stacked on metallic layers (2018)
  • Author(s): H. Yoshikawa, Y. Futakawa, R. Serizawa, Y. Kasatani, S. El Moussaoui and A. Tsukamoto
  • Organizer: 平成29年度スピン変換年次報告会
• [Presentation] Spin-transfer torques in the vicinity of the angular momentum compensation temperature of ferrimagnetic GdFeCo (2018)
  • Author(s): T. Okuno, D.-H. Kim, S.-H. Oh, S. K. Kim, Y. Hirata, T. Nishimura, Y. Futakawa, H. Yoshikawa, A. Tsukamoto, Y. Tserkovnyak, Y. Shirota, T, Moriyama, K.-J. Kim, K.-J. Lee, T. Ono
  • Organizer: 平成29年度スピン変換年次報告会
• [Presentation] Distinct domain-wall dynamics between depinning and flow regimes near the angular momentum compensation temperature of ferrimagnets (2018)
  • Author(s): Y. Hirata, D.-H. Kim, T. Okuno, T. Nishimura, Y. Futakawa, H. Yoshikawa, W. Ham, S. Kim, A. Tsukamoto, Y. Shirota, T, Moriyama, K.-J. Kim, T. Ono
  • Organizer: 平成29年度スピン変換年次報告会
• [Presentation] Large Spin-Orbit Torque in Rare Earth-Transition Metal Ferrimagnet/4f-metal Heterostructures (2018)
  • Author(s): Y. Kasatani, H. Yoshikawa, Y. Futakawa, A. Tsukamoto
  • Organizer: 平成29年度スピン変換年次報告会
• [Presentation] 電子比熱に着目した金属多層膜化による全光型磁化反転の高効率励起 (2017)
  • Author(s): 吉川大貴, Souliman El Moussaoui, 寺下進之佑, 塚本新
  • Organizer: マグネティクス研究会
  • Place of Presentation: 名古屋大学, 愛知県, 名古屋市
  • Year and Date: 2017-03-10
• [Presentation] Correlation between Magnetic Properties and Depinning Field in Field-Driven Domain Wall Dynamics in GdFeCo Ferrimagnets (2017)
  • Author(s): T. Nishimura, D.-H. Kim, Y. Hirata, T. Okuno, Y. Futakawa, H. Yoshikawa, A. Tsukamoto, Y. Shiota, T. Moriyama and T. Ono
  • Organizer: Japan-Korea Spintronics Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Temperature dependence of magnetoresistance in ferrimagnetic GdFeCo/Pt hetero-structure (2017)
  • Author(s): T. Okuno, K.-J. Kim, T. Tono, S. Kim, H. Yoshikawa, A. Tsukamoto, T. Moriyama and T. Ono
  • Organizer: Japan-Korea Spintronics Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Correlation between Compensation Temperatures of Magnetization and Angular Momentum in GdFeCo Ferrimagnets (2017)
  • Author(s): D.-H. Kim, Y. Hirata, T. Okuno, T. Nishimura, D.-Y. Kim, Y. Futakawa, H. Yoshikawa, A. Tsukamoto, K.-J. Kim, S.-B. Choe, T. Ono
  • Organizer: Japan-Korea Spintronics Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Temperature dependence of spin-orbit effective fields in Pt/GdFeCo (2017)
  • Author(s): W. S. Ham, S. Kim, D.-H. Kim, K.-J. Kim, T. Okuno, H. Yoshikawa, A. Tsukamoto, T. Moriyama, T. Ono
  • Organizer: Japan-Korea Spintronics Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] All-optical magnetization switching on gdfeco/metal films trrigered by femtosecond pulsed laser (2017)
  • Author(s): H. Yoshikawa, S. El Moussaoui, Y. Kasatani, A. Tsukamoto
  • Organizer: The 28th Magnetic Recording Conferene
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] フェリ磁性体GdFeCo を用いた磁場駆動磁壁ダイナミクスにおける磁気特性とデピニング磁場の相関 (2017)
  • Author(s): 西村幸恵, Duck-Ho Kim, 平田雄翔, 奥野尭也, 二川康宏, 吉川大貴, 塚本新, 小野輝男
  • Organizer: 第22回半導体スピン工学の基礎と応用
• [Presentation] フェリ磁性GdFeCo静・動磁気特性への界面近傍磁気不均一構造改質による寄与 (2017)
  • Author(s): 二川康宏, 吉川大貴, 笠谷雄一, 田中万裕, S. El Moussaoui, 塚本新
  • Organizer: 電気学会マグネティックス研究会
• [Presentation] 磁性層の実効的光吸収率増大による全光型磁化反転の高効率化 (2017)
  • Author(s): 飯坂岳, 吉川大貴, 二川康宏, 塚本新
  • Organizer: 第41回日本磁気学会学術講演会
• [Presentation] GdFeCoフェリ磁性体界面近傍磁気不均一構造の検討 (2017)
  • Author(s): 二川康宏, S. E. Moussaoui, 吉川大貴, 笠谷雄一, 塚本新
  • Organizer: 第41回日本磁気学会学術講演会
• [Presentation] Pt下地層によるGdFeCo全光型磁化反転閾値の低減効果 (2017)
  • Author(s): 吉川大貴, S. El Moussaoui, 笠谷雄一, 二川康宏, 塚本新
  • Organizer: 第41回日本磁気学会学術講演会
• [Presentation] Influence of the TM on the magnetic properties of GdFeCo thin films for ultrafast magnetic recording (2017)
  • Author(s): S. El Moussaoui, H. Yoshikawa, T. Sato, A. Tsukamoto
  • Organizer: 平成29年度スピン変換研究会
• [Presentation] Spin-Orbit Torque in Rare Earth-Transition Metal Ferrimagnets Heterostructures (2017)
  • Author(s): Y. Kasatani, H. Yoshikawa, Y. Futakawa, A. Tsukamoto
  • Organizer: 平成29年度スピン変換研究会
• [Presentation] Temperature dependence of magnetoresistance in ferrimagnetic GdFeCo/Pt hetero structure (2017)
  • Author(s): T. Okuno, K.-J. Kim, T. Tono, S. Kim, H. Yoshikawa, A. Tsukamoto, T, Moriyama, T. Ono
  • Organizer: 平成29年度スピン変換研究会
• [Presentation] Temperature dependence of spin-orbit effective fields in Pt/GdFeCo (2017)
  • Author(s): W. S. Ham, S. Kim, D.-H. Kim, K.-J. Kim, T. Okuno, H. Yoshikawa, A. Tsukamoto, T. Moriyama, T. Ono
  • Organizer: 平成29年度スピン変換研究会
• [Presentation] All - optical magnetization switching in GdFeCo thin films stacked on different metallic layers (2016)
  • Author(s): H. Yoshikawa, S. El Moussaoui, A. Tsukamoto,
  • Organizer: International workshop on novel photo induced phenomena and applications
  • Place of Presentation: Nihon University, Chiyoda-ku, Tokyo
  • Year and Date: 2016-11-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Multiple magnetization state on GdFeCo bilayer controlled by All-optical magnetization switching (2016)
  • Author(s): S. Terashita, H. Yoshikawa, A. Tsukamoto
  • Organizer: International workshop on novel photo induced phenomena and applications
  • Place of Presentation: Nihon University, Chiyoda-ku, Tokyo
  • Year and Date: 2016-11-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Magnetic properties on Gd/GdFeCo/Gd structures with different GdFeCo layers thickness (2016)
  • Author(s): R. Ueda, H. Yoshikawa, A. Tsukamoto
  • Organizer: International workshop on novel photo induced phenomena and applications
  • Place of Presentation: Nihon University, Chiyoda-ku, Tokyo
  • Year and Date: 2016-11-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] All - optical magnetization switching in GdFeCo stacked on different metallic layers (2016)
  • Author(s): H. Yoshikawa, S. El Moussaoui, A. Tsukamoto
  • Organizer: International workshop on nano-spin conversion science & quantum spin dynamics
  • Place of Presentation: Nihon University, Bunkyo-ku, Tokyo
  • Year and Date: 2016-10-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 全光型磁化反転のGdFeCo層隣接3d遷移金属依存性 (2016)
  • Author(s): 吉川大貴, S. El Moussaoui, 寺下進之佑, 植田涼平, 塚本新
  • Organizer: 第40回日本磁気学会
  • Place of Presentation: 金沢大学, 石川県, 金沢市
  • Year and Date: 2016-09-06
• [Presentation] 希土類－遷移金属磁性体の電流磁気効果 (2016)
  • Author(s): 笠谷雄一、吉川大貴、塚本新
  • Organizer: 第40回日本磁気学会
  • Place of Presentation: 金沢大学, 石川県, 金沢市
  • Year and Date: 2016-09-06
• [Presentation] Influence of transition metal sublattice in Gd23(Fe1-xCox)77 amorphous alloys for the laser induced magnetization reversal (2016)
  • Author(s): S. El Moussaoui, H. Yoshikawa, T. Sato, A. Tsukamoto
  • Organizer: 第40回日本磁気学会
  • Place of Presentation: 金沢大学, 石川県, 金沢市
  • Year and Date: 2016-09-06
• [Presentation] The non-local energy dissipation in All-Optical magnetization Switching of GdFeCo thin films (2016)
  • Author(s): H. Yoshikawa, S. El Moussaoui, S. Terashita, R. Ueda, A. Tsukamoto
  • Organizer: The 4th International Conference of Asian Union of Magnetics Societies
  • Place of Presentation: Tainan, Taiwan
  • Year and Date: 2016-08-02
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] All-Optical magnetization Switching on multi level GdFeCo magnetic double layered film (2016)
  • Author(s): S. Terashita, H. Yoshikawa and A. Tsukamo
  • Organizer: The 4th International Conference of Asian Union of Magnetics Societies
  • Place of Presentation: Tainan, Taiwan
  • Year and Date: 2016-08-02
  • Int'l Joint Research