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2次元磁性体における磁気ゆらぎの電気的検出と高効率スピン変換の開拓

Research Project

Project/Area Number 20H02557
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 28020:Nanostructural physics-related
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

新見 康洋  大阪大学, 理学研究科, 准教授 (00574617)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Fiscal Year 2020: ¥7,540,000 (Direct Cost: ¥5,800,000、Indirect Cost: ¥1,740,000)
Keywordsスピントロニクス / 原子層磁性体 / ファンデルワールス接合 / スピンゆらぎ / メゾスコピック系 / 原子層デバイス / 超薄膜
Outline of Research at the Start

本研究では、様々な2次元磁性体に、スピン角運動量の流れであるスピン流を注入することで、磁気転移温度近傍の磁気ゆらぎを、スピン流-電流変換(スピン変換)を介して電気的に検出し、磁気ゆらぎとスピン変換の関係を解明することを目標とする。さらにバルクの磁化測定やμSR測定などと比較することで、スピン変換で得られる物理量を明らかにする。最終的には、磁気ゆらぎを利用した高効率なスピン変換の手法を開拓し、スピン流物理とその応用に新展開をもたらす。

Outline of Annual Research Achievements

原子層磁性体に関する研究が近年急進展している。2次元磁性体は対称性が低いため、バルクには現れない特異な現象が期待できる。特に磁気転移温度近傍の磁気ゆらぎは、バルク磁性体に比べて強いことが知られている。そこで本研究課題では、2次元の強磁性体、三角格子反強磁性体、近藤格子系など、様々な磁気特性をもつ2次元磁性体に、スピン角運動量の流れ「スピン流」を注入することで、磁気転移温度近傍の磁気ゆらぎを、スピン流-電流変換(スピン変換)を介して電気的に検出する。さらにバルクの磁化測定やμSR測定などと比較することで、スピン変換で得られる物理量を解明する。最終的には、磁気ゆらぎを利用した高効率なスピン変換の手法を開拓し、スピン流物理とその応用に新展開をもたらす。
本年度は、原子層強磁性体Fe5GeTe2、原子層反強磁性体CeTe3薄膜試料の作製、さらに原子層らせん磁性体CrNb3S6におけるスピン輸送測定に取り組んだ。Fe5GeTe2に関して、バルクでは垂直磁気異方性はないが、5原子層程度まで薄くすることで、0.5 Tの保磁力を観測し、垂直磁化をもつスピン注入源になることを見出した。CeTe3では、反強磁性転移に伴う磁気抵抗、さらに低温では量子振動の観測に成功した。一方、CrNb3S6に関しては、薄膜試料を作製後、スピン輸送素子に取り込み、スピン流を注入する実験まで行った。らせん磁性転移温度である130 K以上の数倍高温である室温からスピンホール効果の信号が変化を始め、130 Kのところで極大値を取り、十分低温で信号が消失する振舞いを観測した。また、らせんのピッチを1ターン(48 nm)含むか含まないかで信号の大きさが大きく異なることを見出した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

研究提案をした時点では、入手出来ていなかった新しい原子層強磁性体Fe5GeTe2と原子層らせん磁性体CrNb3S6を昨年度末に入手することができ、今年度はそちらの研究も行うことができた。Fe5GeTe2やCeTe3に関しては、バルクでは現れていない物性が、薄膜素子で明瞭に観測され、これらに関して、合計で4編の論文を書くことができた。さらに、らせん磁性体に関しては、薄膜デバイスに加工し、らせんピッチの数と膜厚の関係が磁気抵抗に現れることを確認後、スピン輸送測定まで進展させることができた。スピングラスでの実験と同様に、スピンホール効果を用いることで、らせん磁性体におけるスピンゆらぎを感度良く検出できたことは、スピンゆらぎとスピン流の関係を構築する上で重要な結果となった。また、らせんのピッチと膜厚の大小関係で質的に異なる信号が得られたことは当初の予定にはない、重要な成果であった。以上の理由から「(1)当初の計画以上に進展している」を選択した。

Strategy for Future Research Activity

2021年度は、らせん磁性体の磁化状態をスピン流でプローブすること、さらにはスピンホール角やスピン拡散長などの物理量の定量的な算出を目指す。さらに、Fe5GeTe2の垂直磁化膜をスピン注入源としたスピン輸送測定の展開、CeTe3や三角格子反強磁性Ag2CrO2でのスピン輸送測定を行う予定である。Ag2CrO2と同様の構造で、かつ量子スピンS = 1/2である三角格子反強磁性が昨年報告され、今年度中にその物質も入手予定である。そこで今後は、古典スピン(S = 3/2)と量子スピン(S = 1/2)をもつ三角格子反強磁性の違いについても、スピンゆらぎ測定の観点から調べることを予定している。

Report

(1 results)
  • 2020 Annual Research Report

Research Products

(35 results)

All 2021 2020 Other

All Journal Article (10 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 10 results,  Open Access: 6 results) Presentation (24 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 6 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Itinerant ferromagnetism mediated by giant spin polarization of the metallic ligand band in the van der Waals magnet Fe5GeTe22021

    • Author(s)
      Yamagami K.、Fujisawa Y.、Driesen B.、Hsu C. H.、Kawaguchi K.、Tanaka H.、Kondo T.、Zhang Y.、Wadati H.、Araki K.、Takeda T.、Takeda Y.、Muro T.、Chuang F. C.、Niimi Y.、Kuroda K.、Kobayashi M.、Okada Y.
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 103

    • DOI

      10.1103/physrevb.103.l060403

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Butterfly-shaped magnetoresistance in van der Waals ferromagnet Fe5GeTe22021

    • Author(s)
      Tomoharu Ohta, Masashi Tokuda, Shuichi Iwakiri, Kosuke Sakai, Benjamin Driesen, Yoshinori Okada, Kensuke Kobayashi, and Yasuhiro Niimi
    • Journal Title

      AIP Advances

      Volume: 11

    • DOI

      10.1063/9.0000067

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Shubnikov-de-Haas oscillation and possible modification of effective mass in CeTe3 thin films2021

    • Author(s)
      Mori Watanabe, Ryoya Nakamura, Sanghyun Lee, Takuya Asano, Takashi Ibe, Masashi Tokuda, Hiroki Taniguchi, Daichi Ueta, Yoshinori Okada, Kensuke Kobayashi, and Yasuhiro Niimi
    • Journal Title

      AIP Advances

      Volume: 11

    • DOI

      10.1063/9.0000074

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Spin treacle in a frustrated magnet observed with spin current2020

    • Author(s)
      Hiroki Taniguchi,Mori Watanabe,Takashi Ibe, Masashi Tokuda, Tomonori Arakawa,Toshifumi Taniguchi, Bo Gu,Timothy Ziman, Sadamichi Maekawa, Kensuke Kobayashi,and Yasuhiro Niimi
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 102

    • DOI

      10.1103/physrevb.102.094405

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Negative resistance state in superconducting NbSe 2 induced by surface acoustic waves2020

    • Author(s)
      Masahiko Yokoi, Satoshi Fujiwara, Tomoya Kawamura, Tomonori Arakawa, Kazushi Aoyama, Hiroshi Fukuyama, Kensuke Kobayashi, and Yasuhiro Niimi
    • Journal Title

      Science Advances

      Volume: 6

    • DOI

      10.1126/sciadv.aba1377

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Quantum oscillations with magnetic hysteresis observed in CeTe3 thin films2020

    • Author(s)
      Mori Watanabe, Sanghyun Lee, Takuya Asano, Takashi Ibe, Masashi Tokuda, Hiroki Taniguchi, Daichi Ueta, Yoshinori Okada, Kensuke Kobayashi, and Yasuhiro Niimi
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 117

    • DOI

      10.1063/5.0007517

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Etching process of narrow wire and application to tunable-barrier electron pump2020

    • Author(s)
      Shota Norimoto, Shuichi Iwakiri, Masahiko Yokoi, Tomonori Arakawa, Yasuhiro Niimi, and Kensuke Kobayashi
    • Journal Title

      Review of Scientific Instruments

      Volume: 91 Pages: 085110-085110

    • DOI

      10.1063/5.0011767

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Tunneling mechanism in a (Ga, Mn)As/GaAs-based spin Esaki diode investigated by bias-dependent shot noise measurements2020

    • Author(s)
      T. Arakawa, J. Shiogai, M. Maeda, M. Ciorga, M. Utz, D. Schuh, Y. Niimi, M. Kohda, J. Nitta, D. Bougeard, D. Weiss, K. Kobayashi
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 102

    • DOI

      10.1103/physrevb.102.045308

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Multiple modes of a single spin torque oscillator under the non-linear region2020

    • Author(s)
      Sugimoto Satoshi、Iwakiri Shuichi、Kozuka Yusuke、Takahashi Yukiko、Niimi Yasuhiro、Kobayashi Kensuke、Kasai Shinya
    • Journal Title

      AIP Advances

      Volume: 10 Pages: 075115-075115

    • DOI

      10.1063/5.0013105

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Generation of multipeak spectrum of spin torque oscillator in non-linear regime2020

    • Author(s)
      Iwakiri Shuichi、Sugimoto Satoshi、Niimi Yasuhiro、Kobayashi Kensuke、Kozuka Yusuke、Takahashi Yukiko K.、Kasai Shinya
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 117 Pages: 022406-022406

    • DOI

      10.1063/5.0013102

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] スピン流を用いた微小磁性体における磁気ゆらぎの検出2021

    • Author(s)
      新見康洋
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      第10回酸化物研究の新機軸に向けた学際討論会
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  • [Presentation] 新しい原子層磁性体の開拓とそのスピン物性2021

    • Author(s)
      新見康洋
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      第68回化合物新磁性材料専門研究会「低次元カルコゲナイドの新機能・物性・デバイス 研究」
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  • [Presentation] 金属超薄膜における電場侵入効果2021

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      岩切秀一、杉本聡志、新見康洋、葛西伸哉、小林研介
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  • [Presentation] カイラル磁性体CrNb3S6薄膜におけるスピン輸送測定2021

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      日本物理学会第76回年次大会
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  • [Presentation] 原子層強磁性体/超伝導体ヘテロ接合における輸送特性2021

    • Author(s)
      太田智陽、藤原浩司、大星和毅、山神光平、岡田佳憲、小林研介、新見康洋
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
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  • [Presentation] FeTe0.6Se0.4薄膜素子の輸送特性2021

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      中村瞭弥、渡邉杜、徳田将志、坂井康介、中島正道、小林研介、新見康洋
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      日本物理学会第76回年次大会
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  • [Presentation] Bi/Ni超伝導薄膜の上部臨界磁場測定22021

    • Author(s)
      徳田将志、中尾舞、渡邉杜、S.-H. Lee、中村瞭弥、Yue Di、Jin Xiao-Feng、小林研介、新見康洋
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      大星和毅、花田尚輝、岩切秀一、松井朋裕、福山寛、小林研介、新見康洋
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      勝村亮太、太田智陽、坂井康介、鈴木将太、小林研介、新見康洋
    • Organizer
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  • [Presentation] Coexistance of Quantum Oscillation and Magnetic Hysteresis in CeTe3 Thin Films2020

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      M. Watanabe, S.-H. Lee, T. Asano, T. Ibe, M. Tokuda, H. Taniguchi, D.Ueta, Y. Okada, K. Kobayashi, and Y. Niimi
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      65th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM 2020)
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      T. Ohta, K. Sakai, H. Taniguchi, B. Driesen, Y. Okada, K. Kobayashi, and Y. Niimi
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      65th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM 2020)
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  • [Presentation] ファンデルワールス強磁性金属Fe5GeTe2における垂直磁気異方性の評価2020

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      太田智陽、坂井康介、谷口祐紀、Benjamin Driesen、岡田佳憲、小林研介、新見康洋
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      新見康洋
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      太田智陽、坂井康介、谷口祐紀、Benjamin Driesen、岡田佳憲、小林研介、新見康洋
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      岩切秀一、杉本聡志、大湊友也、加藤岳生、松尾衛、新見康洋、葛西伸哉、小林研介
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      藤原浩司、岩切秀一、横井雅彦、渡邉杜、小林研介、新見康洋
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      花田尚輝、岩切秀一、浅野拓也、松井朋裕、福山寛、小林研介、新見康洋
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      中尾舞、徳田将志、Yue Di、Jin Xiao-Feng、小林研介、新見康洋
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      新見康洋
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  • [Remarks] 原子層超伝導体に振動外場を加えて負の抵抗が実現!―新しい超伝導デバイスへの道―

    • URL

      https://www.sci.osaka-u.ac.jp/ja/topics/8683/

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Published: 2020-04-28   Modified: 2022-04-19  

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