| Project/Area Number |
19KK0104
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| Research Category |
Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
末益 崇 筑波大学, 数理物質系, 教授 (40282339)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
本多 周太 関西大学, システム理工学部, 准教授 (00402553)
中堂 博之 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究副主幹 (30455282)
柳原 英人 筑波大学, 数理物質系, 教授 (50302386)
奥村 宏典 筑波大学, 数理物質系, 助教 (80756750)
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| Project Period (FY) |
2019-10-07 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2019)
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| Budget Amount *help |
¥18,330,000 (Direct Cost: ¥14,100,000、Indirect Cost: ¥4,230,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2020: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
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| Keywords | 垂直磁気異方性 / 電流駆動磁壁移動 / フェリ磁性体 / スピン移行トルク / 電流誘起磁壁移動 / スピントロニクス / 第一原理計算 |
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| Outline of Research at the Start |
AIやビックデータ用に大容量で低消費電力のメモリーが必須であり、究極の情報記録素子として、電流駆動磁壁移動デバイスの研究が盛んに行われている。このデバイスでは、磁性細線の磁区の磁化方向を情報の0 又は 1に対応させ、磁区の境界である磁壁を電流で高速に移動して情報の書込み・読み出しを行う。このため、小さな電流で、つまり、小電力で高速の磁壁移動を達成することが求められる。申請者は、フェリ磁性体Mn4Nに注目し、比較的低い電流密度で900 m/sに達する超高速の磁壁移動を達成してきた。本研究では、フランス側研究者との共同研究により、Niを少量添加することで角運動量補償を達成し、格段の超高速駆動を実証する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、フェリ磁性体Mn4Nをベースとする新規スピントロニクス材料において、超高速の磁壁移動を実現することを目的とする。まず、チタン酸ストロンチウム基板上にエピタキシャル成長したMn4N膜を幅1-3マイクロメートル程度の細線に加工し、パルス電流の注入により、磁壁移動速度を計測したところ、最大900m/sを得た。この値は、外部磁場がなく、スピン移行トルクのみで得られた値として、室温で最大の値である。
フェリ磁性体では、副格子を構成するMnのスピン角運動量の総和がゼロになる補償点において、磁壁の移動速度が発散すると期待される。そのような候補材料としてMn4NにNiを添加したMn(4-x)Ni(x)N膜を取り上げ、これらの膜をエピタキシャル成長した。磁化特性および磁気輸送特性から、室温で垂直磁気異方性を保持しつつ、磁化がゼロに近づくNi組成を見出した。その結果、Ni組成x=0.1と0.25で、垂直磁気異方性を保持しながら、異常ホール係数の符号が急峻に変化したこと、飽和磁化がxの増加とともにx=0.2程度まで直線的に減少し増加に転じたこと、さらに、磁化の温度特性が変則的であることの3点から、x=0.1と0.25の間に磁化補償点があると予想した。この予想に基づき、X線磁気円二色性(XMCD)測定をx=0.1と0.25のNi組成をもつ試料に対して行い、両者で、XASおよびXMCDスペクトルから、NiはコーナーサイトのMnを置換すること、さらに、MnおよびNiの磁気モーメントが両者で反転していることを見出した。これら一連の結果により、Mn(4-x)Ni(x)N膜では、x=0.1と0.25の間で、磁化がゼロになることを実験で証明した。このNi組成周辺で、磁壁の移動速度は格段に大きくなると期待される。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
Mn4Nにおいて、スピン移行トルクのみで最速の電流駆動磁壁移動速度(900m/s)を達成したこと、さらに、この値を凌駕する可能性のある材料として、Mn(4-x)Ni(x)Nを選び、磁気および磁気輸送特性から、磁化補償を達成するNi組成を絞り込めた。このため、2019年度に達成した磁壁移動速度を大幅に更新することが期待される。以上のことから、本研究は、当初の計画以上に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
2019年度の研究により、X線磁気円二色性(XMCD)測定より、Mn(4-x)Ni(x)N膜では、x=0.1と0.25のNi組成で、飽和磁化がゼロになることが分かった。角運動量補償点も、同様の範囲にあると予想される。このため、Ni組成をx=0.1と0.25の間でさらに細かく振った試料を作製し、それらを細線加工して、電流駆動磁壁移動速度を室温で測定する。
また、これまではスピン移行トルクによる磁壁移動を考えてきたが、Mn(4-x)Ni(x)N膜を超薄膜化することで、スピン軌道トルクによる磁壁移動も期待できる。このため、まず、Mn4N膜において、どの厚さまで薄く、エピタキシャル成長が可能であるかも調べる。
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