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エピタキシャルヘテロ界面を用いた超軌道分裂の学理の確立と新機能創成

計画研究

研究領域超軌道分裂による新奇巨大界面応答
研究課題/領域番号 23H03802
研究種目

学術変革領域研究(B)

配分区分補助金
審査区分 学術変革領域研究区分(Ⅱ)
研究機関東京大学

研究代表者

大矢 忍  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (20401143)

研究分担者 Le DucAnh  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (50783594)
研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
57,980千円 (直接経費: 44,600千円、間接経費: 13,380千円)
2025年度: 19,240千円 (直接経費: 14,800千円、間接経費: 4,440千円)
2024年度: 19,370千円 (直接経費: 14,900千円、間接経費: 4,470千円)
2023年度: 19,370千円 (直接経費: 14,900千円、間接経費: 4,470千円)
キーワード超軌道分裂 / 酸化物ヘテロ界面 / スピントロニクス / 機能性デバイス / 分子線エピタキシー
研究開始時の研究の概要

本研究では、酸化物を中心とした材料系におけるヘテロ界面における特異な軌道分裂(超軌道分裂)を制御する科学を確立することにより、種々の高品質ヘテロ界面において、外場(電場・磁場など)による様々な巨大秩序応答を実現することを目標とする。さらに、このような新奇の物理現象を理解できる新しい電子軌道制御に関する学術分野を創成するとともに、 高効率デバイスの実現に結びつく新たな機能性を生み出すことを目標とする。他の研究班と共同研究を行うことにより、実際に界面で起きている現象を原子スケールで観測し、第一原理計算を用いて理論的に理解し、それらを実験にフィードバックすることにより、新現象や新材料系を開拓する。

研究実績の概要

2023年度の代表的な成果は下記の2点である。
SrTiO3基板上にエピタキシャル単結晶酸化物強磁性薄膜LaSrMnO3(LSMO)を成長し、我々のグループのナノ加工技術を用いて36 nm程度の領域にアルゴンを照射し、本来金属であるLSMOに対してナノスケールでの局所的な相転移を引き起こすことによって、半導体では実現が困難であった140%ものスピンバルブ比をもつスピントランジスタを作製することに成功した。酸化物を用いて半導体では実現が難しかった新たな機能性をもつデバイスを実現できる可能性を示している。将来的には、このようなナノスケールの相転移技術をさまざまな酸化物に適用することで酸化物の多様な物性を利用した新しいデバイスを創出できるものと期待される。本成果はAdv. Mater.誌に出版され、プレスリリースを行った。本領域研究では、スピン注入が高効率で実現できる界面がどのようなものなのか微視的に検討を進めていきたい。
従来、抵抗スイッチ効果は電界によってのみ制御がなされてきた。我々はFe/MgOからなる2層電極をもつGeのナノチャネルデバイスに対して、磁場を印加したところ25000%も抵抗が変化する抵抗スイッチ効果を観測した。さらに磁場により、スイッチ効果が増大することが明らかになった。抵抗スイッチ効果を磁場で制御できる新たな方向性を示す成果と言える。A03班との共同研究により、理論的に導電性フィラメントの構成要素としてMg欠損が極めて重要な役割を果たしていることが明らかになった。Mg欠損をこのような抵抗スイッチ効果の磁場依存性の実現に使えることは、今まで全く知られていなかった。酸化物中の陽イオンの欠損の有用性を意外な形で示すことができた点で、学術的な意義も非常に大きいと考えている。本成果はAdv. Mater.誌に出版され、プレスリリースを行った。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

共同研究が順調に進んでおり、特に昨年度はA02班佐藤グループおよびA03班福島グループとの共同研究を予定通りに進めることができた。予想外の成果も次々と生まれており、酸化物の超高品質界面を用いた高効率スピン注入と、スピントランジスタでは過去最高値である140%ものスピンバルブ比を得ることに成功し、Adv.Mater.誌に掲載するとともにプレスリリースを行った。このような単結晶の高品質界面でどのようにして高効率のスピン注入が実現されているのかを本研究領域で引き続き議論していくことは極めて重要である。また、A03班と共同で、過去30年間謎であった強磁性半導体の抵抗率の温度依存性の特異な振る舞いを、第一原理計算を利用して解明することに成功し、APL Materials誌に論文が出版され、プレスリリースを行った。さらに、A03班と共同で、Fe/MgO電極を有するGeナノチャネルデバイスにおいて、25000%にもおよぶ磁場で制御可能な大きな抵抗スイッチ効果を実現することに成功し、第一原理計算を用いて理論モデルを構築した。本成果はAdv.Mater.に掲載され、プレスリリースを行った。本グループの学生が、日本学術振興会育志賞、東京大学総長賞などを受賞しており、近年の成果が高く評価されていることが分かる。

今後の研究の推進方策

我々のグループでは、従来より分子線エピタキシー技術を駆使して高品質の酸化物ヘテロ界面や、金属/半導体多層膜などを作製し、巨大なスピン依存伝導現象を観測してきた。分子線エピタキシーは、超高真空中で原子を昇華または蒸発させて原子層一層一層を積層していくことにより、原子レベルで平坦な単結晶人工格子を作製する技術である。このような理想的な界面を利用することにより、様々な界面に隠されている新たな巨大外場応答現象を探索していく。具体的な研究計画は下記の通りである。
本年度は、さらに共同研究を加速させる。昨年度観測されたFe/MgO/Geにおける、Fe/MgO界面での強磁性近接効果による巨大磁気抵抗スイッチ効果に関して、より理解を深めるために、層構造の異なるヘテロ構造で同様の実験を進めていく。同時に、A03班福島グループと共同で、本現象の理論的な理解も進めていく。大きな外場応答が観測されているオールエピタキシャルのLaSrMnO3/SrTiO3界面試料を、昨年度、A02班佐藤グループに提供しており、走査透過型電子顕微鏡および電子エネルギー損失分光(EELS)その場観測技術を駆使して、これから電場磁場誘起巨大応答の原理をより詳細に調べることにより、これらの物理現象を理解し、さらに大きな応答が得られるかを調査する。分子線エピタキシーでは作製が困難な界面も存在するため、必要に応じて、永沼グループ(A01班)のスパッタ技術も併用することにより、新たな界面の作製を目指す。結晶成長の難易度に関しては、結晶成長の実験結果をA03班福島グループにフィードバックすることにより、より実現しやすい界面の理論予想を行う。さらに実験結果をもとに理論と実験の整合度を検証していきたい。本領域外の研究者とも積極的に連携することにより、共同研究の幅を広げていくことにより、分野の拡大に貢献したい。

報告書

(1件)
  • 2023 実績報告書
  • 研究成果

    (33件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (27件) (うち国際学会 11件、 招待講演 11件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Reduced dead layers and magnetic anisotropy change in La2/3Sr1/3MnO3 membranes released from an SrTiO3 substrate2024

    • 著者名/発表者名
      Arai Takuma、Kaneta-Takada Shingo、Anh Le Duc、Kobayashi Masaki、Seki Munetoshi、Tabata Hitoshi、Tanaka Masaaki、Ohya Shinobu
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 124 号: 6 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1063/5.0180288

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Colossal magnetoresistive switching induced by d0 1 ferromagnetism of MgO in a semiconductor nanochannel device with ferromagnetic Fe/MgO electrodes"2024

    • 著者名/発表者名
      Ohya Shinobu、Tsuruoka Shun、Kaneda Masaya、Shinya Hikari、Fukushima Tetsuya、Takeda Takahito、Tadano Yuriko、Endo Tatsuro、Anh Le Duc、Masago Akira、Katayama‐Yoshida Hiroshi、Tanaka Masaaki
    • 雑誌名

      Advanced Materials

      巻: - 号: 23 ページ: 2307389-2307389

    • DOI

      10.1002/adma.202307389

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Giant Spin‐Valve Effect in Planar Spin Devices Using an Artificially Implemented Nanolength Mott‐Insulator Region2023

    • 著者名/発表者名
      Endo Tatsuro、Tsuruoka Shun、Tadano Yuriko、Kaneta‐Takada Shingo、Seki Yuichi、Kobayashi Masaki、Anh Le Duc、Seki Munetoshi、Tabata Hitoshi、Tanaka Masaaki、Ohya Shinobu
    • 雑誌名

      Advanced Materials

      巻: 未定 (Accepted) 号: 28 ページ: 2300110-2300110

    • DOI

      10.1002/adma.202300110

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Theoretical study on the origin of anomalous temperature-dependent electric resistivity of ferromagnetic semiconductor2023

    • 著者名/発表者名
      Shinya Hikari、Fukushima Tetsuya、Sato Kazunori、Ohya Shinobu、Katayama-Yoshida Hiroshi
    • 雑誌名

      APL Materials

      巻: 11 号: 11 ページ: 111114-111114

    • DOI

      10.1063/5.0165352

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 高品質単結晶機能性ヘテロ界面を活用したスピントロニクス新機能開拓2024

    • 著者名/発表者名
      大矢忍
    • 学会等名
      日本磁気学会第91回スピントロニクス専門研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Giant spin-valve effect and gate modulation in nano-channel oxide devices made using metal-insulator transition2024

    • 著者名/発表者名
      Tatsuro Endo, Shun Tsuruoka, Yuriko Tadano, Shingo Kaneta-Takada, Yuichi Seki, Masaki Kobayashi, Le Duc Anh, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
    • 学会等名
      学術変革B 第2回研究成果報告会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Spintronics function of the resistive switching in Fe/MgO/Ge2024

    • 著者名/発表者名
      Masaya Kaneda, Shun Tsuruoka, Hiroshi Katayama-Yoshida, Tatsuro Endo, Yuriko Tadano, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
    • 学会等名
      第15回低温科学研究センター研究交流会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] バンド交差とスピン軌道相互作用により誘起される高効率スピン流-電流変換2024

    • 著者名/発表者名
      金田真悟、田中雅明、大矢忍
    • 学会等名
      第15回低温科学研究センター研究交流会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Enhancement of double-exchange interaction in a La2/3Sr1/3MnO3 membrane released from epitaxial strain2024

    • 著者名/発表者名
      Takahito Takeda, Takuma Arai, Kohei Yamagami, Le Duc Anh, Masaaki Tanaka, Masaki Kobayashi, and Shinobu Ohya
    • 学会等名
      第15回低温科学研究センター研究交流会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Enhanced Magnetization and Change in Magnetic Anisotropy in La2/3Sr1/3MnO3 membranes Released from a Substrate2024

    • 著者名/発表者名
      Takuma Arai, Shingo Kaneta-Takada, Le Duc Anh,Masaki Kobayashi, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
    • 学会等名
      第15回低温科学研究センター研究交流会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Efficient spin-charge conversion in Rashba two-dimensional electron gas systems of single-crystalline oxide heterostructures2024

    • 著者名/発表者名
      Shinobu Ohya
    • 学会等名
      superstrips2024
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 酸化物ヘテロ構造を利用したスピン新機能創製2023

    • 著者名/発表者名
      大矢忍
    • 学会等名
      界面最新科学研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] エピタキシャルヘテロ界面を用いた超軌道分裂の学理の確立と新機能創成2023

    • 著者名/発表者名
      大矢忍、Le Duc Anh
    • 学会等名
      学術変革B 超軌道分裂による新奇巨大界面応答 第1回領域会議
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] エピタキシャルヘテロ界面を用いた超軌道分裂の学理の確立と新機能創成2023

    • 著者名/発表者名
      大矢忍、Le Duc Anh
    • 学会等名
      学術変革B 超軌道分裂による新奇巨大界面応答 キックオフシンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 超軌道分裂による新奇巨大界面応答2023

    • 著者名/発表者名
      大矢忍
    • 学会等名
      第17回物性科学領域横断研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Giant spin-valve effect and gate modulation in nano-channel oxide devices made using metal-insulator transition2023

    • 著者名/発表者名
      Tatsuro Endo, Shun Tsuruoka, Yuriko Tadano, Shingo Kaneta-Takada, Yuichi Seki, Masaki Kobayashi, Le Duc Anh, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
    • 学会等名
      学術変革B 超軌道分裂による新奇巨大界面応答 第2回成果報告会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Scattering-dependent transport of SrRuO3 films: From Weyl fermion transport to hump-like Hall effect anomaly2023

    • 著者名/発表者名
      Shingo Kaneta-Takada, Yuki K. Wakabayashi, Yoshiharu Krockenberger, Hiroshi Irie, Shinobu Ohya, Masaaki Tanaka, Yoshitaka Taniyasu, and Hideki Yamamoto
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Influence of the Ru composition change on the spin-to-charge conversion in SrRu1-xO3 films2023

    • 著者名/発表者名
      Shingo Kaneta-Takada, Yuki K. Wakabayashi, Yoshitaka Taniyasu, Hideki Yamamoto, Yoshiharu Krockenberger, Shinya Hikari, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Single-layer spin-orbit torque magnetization switching in high-quality ferromagnetic Weyl semimetal SrRuO32023

    • 著者名/発表者名
      Hiroto Horiuchi, Yuki Wakabayashi, Shingo Kaneta-Takada, Yoshitaka Taniyasu, Hideki Yamamoto, Yoshiharu Krockenberger, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Ru組成の異なるSrRuO3およびSrRu0.7O3薄膜におけるスピン流-電流変換効率の比較2023

    • 著者名/発表者名
      金田真悟、若林勇希、新屋ひかり、谷保芳孝、山本秀樹、ヨシハルクロッケンバーガー、田中雅明、大矢忍
    • 学会等名
      強的秩序とその操作に関わる 第17回 夏の学校
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] MgOベースの抵抗スイッチ効果デバイスにみられる巨大なスピンバルブライク動作2023

    • 著者名/発表者名
      金田 昌也、鶴岡 駿、遠藤達朗、但野 由梨子、武田 崇仁、福島 鉄也、新屋 ひかり、真砂 啓、田中 雅明、吉田 博、大矢 忍
    • 学会等名
      強的秩序とその操作に関わる 第17回 夏の学校
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Giant spin-charge conversion using two-dimensional electrons gas systems of single-crystalline oxide Rashba heterostructures2023

    • 著者名/発表者名
      Shinobu Ohya
    • 学会等名
      The 25th International Conference on the Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-25) and 21st International Conference on Modulated Semiconductor Structures (MSS-21)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Developments of novel spintronics functionalities using oxide heterostructures2023

    • 著者名/発表者名
      Shinobu Ohya
    • 学会等名
      EU-Japan Workshop on Spintronics and Quantum Transformation (Spin-QX 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] First-principels Calculations of Temperature-dependent Electrical Transport Properties2023

    • 著者名/発表者名
      Hikari Shinya, Tetsuya Fukushima, Akira Masago, Kazunori Sato, Shinobu Ohya, Hiroshi Katayama-Yoshida, and Hisazumi Akai
    • 学会等名
      24th Asian Workshop on First-Principles Electronic Structure Calculations
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Creation of novel spintronics functionalities using oxide heterostructures2023

    • 著者名/発表者名
      Shinobu Ohya
    • 学会等名
      MRM2023/IUMRS-ICA2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Enhancement of spin-to-charge conversion in SrRu1-xO3 films by Ru stoichiometry control2023

    • 著者名/発表者名
      Shingo Kaneta-Takada, Yuki K. Wakabayashi, Hikari Shinya, Yoshitaka Taniyasu, Hideki Yamamoto, Yoshiharu Krockenberger, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
    • 学会等名
      29th International Workshop on Oxide Electronics (iWOE-29)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Giant spin-valve effect and FET operation in nano-channel oxide devices made using metal-insulator transition2023

    • 著者名/発表者名
      Tatsuro Endo, Shun Tsuruoka, Yuriko Tadano, Shingo Kaneta-Takada, Yuichi Seki, Masaki Kobayashi, Le Duc Anh, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
    • 学会等名
      29th International Workshop on Oxide Electronics (iWOE-29)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Enhancement in Magnetization and Perpendicular Magnetic Anisotropy in a La2/3Sr1/3MnO3 Thin Film Released from a SrTiO3 Substrate2023

    • 著者名/発表者名
      Takuma Arai, Shingo Kaneta-Takada, Le Duc Anh, Masaki Kobayashi, Momoko Onodera, Kei Kinoshita, Rai Moriya, Machida Tomoki, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
    • 学会等名
      29th International Workshop on Oxide Electronics (iWOE-29)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Significant Reduction of Dead Layers and Magnetic Anisotropy Change in a Strain-Free Transferred La2/3Sr1/3MnO3 Thin Film on a Si Substrate2023

    • 著者名/発表者名
      T. Arai, S. Kaneta-Takada, L. D. Anh, M. Kobayashi, R. Moriya, T. Machida, M. Tanaka, and S. Ohya
    • 学会等名
      2023 Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Scattering-Dependent Transport of SrRuO 3 Films: From Weyl Fermion Transport to Hump-Like Hall Effect Anomaly2023

    • 著者名/発表者名
      Shingo Kaneta-Takada, Yuki K. Wakabayashi, Yoshiharu Krockenberger, Hiroshi Irie, Shinobu Ohya, Masaaki Tanaka, Yoshitaka Taniyasu, and Hideki Yamamoto
    • 学会等名
      2023 Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Giant spin-valve-like behavior induced by magnetic-field-controlled resistive switching in an Fe/MgO/Ge-based two-terminal device2023

    • 著者名/発表者名
      Masaya Kaneda, Shun Tsuruoka, Tatsuro Endo, Takahito Takeda, Yuriko Tadano, Tetsuya Fukushima, Hikari Shinya, Akira Masago, Masaaki Tanaka, Hiroshi Katayama-Yoshida, and Shinobu Ohya
    • 学会等名
      2023 Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [備考] 超軌道分裂による新奇巨大界面応答

    • URL

      https://www.cir-research.jp/

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 東京大学 大学院工学系研究科 電気系工学専攻 大矢研究室

    • URL

      http://www.cryst.t.u-tokyo.ac.jp/ohya/

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

URL: 

公開日: 2023-04-13   更新日: 2025-04-17  

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