擬似反強磁性体を用いたスピントルクデバイスの創製

• 研究課題/領域番号: 19K04471
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分21050:電気電子材料工学関連
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 湯浅 裕美 (福澤裕美) 九州大学, システム情報科学研究院, 教授 (20756233)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2021年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2020年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2019年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
• キーワード: スピントルク / 磁化発振 / 周波数 / シミュレーション / 90度磁気結合 / 疑似反強磁性層 / スピントルク発振 / 擬似反強磁性層 / サブテラヘルツ / 擬似反強磁性体

研究開始時の研究の概要

磁性酸化層に特有の90度磁気結合を用いて、特異な磁気構造をもつ“擬似反強磁性層”を創製し、スピントルクによりサブTHzまで磁化発振を目指す。3d強磁性体は発振周波数GHzでスピントルク発振が実証されているが、反強磁性体は周波数THzと期待されるものの課題がありスピントルク発振は実証されていない。本提案の擬似反強磁性層は、隣り合う磁区の磁化が反平行で、反強磁性体のように磁化がゼロの物質である。ただし磁区の中は強磁性体であることから、強磁性体と反強磁性体の中間に相当する。この独自の擬似反強磁性層で、反強磁性体では実証の難しいスピントルク発振を実証する。

研究成果の概要

一般的な3d遷移金属では数GHzであるスピントルク周波数が高くなることを期待し、特異な90度結合を利用して擬似反強磁性層を作製した。静的な評価から得られた物性値に基づく数値計算により、動的な特性を見積もったところ、スピントルク発振周波数が最大で15GHzであることを導いた。さらに周波数を上げるために、磁化配列の設計を行った。その結果、2層の磁化が垂直と面内磁気異方性を持つとき、90度磁気結合を導入すると、スピントルク周波数が50GHzまで増加した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

磁性薄膜におけるスピントルクは、1996年の理論提唱、2001年の実験実証されて以降、精力的に研究され続け相応の時間が経っているが、明確な応用には結実していない。当初は汎用的な強磁性薄膜で研究され、近年は新たに反強磁性体で新たな物理を見出す研究が盛んである。これに対し、自然界には存在しない擬似反強磁性体を創成し、その物性を実験と計算の両面から明らかにし、周波数の観点では汎用元素を用いつつも50ＧＨzまで増加できたことは、今後の応用先拡大と学理の深耕に結び付くものである。

研究成果

• [国際共同研究] CIC nanoGUNE BRTA(スペイン)
• [国際共同研究] National Taiwan Normal-University(その他の国・地域 台湾)
• [国際共同研究] National Taiwan Normal-University(その他の国・地域台湾)
• [国際共同研究] CIC nanoGUNE(スペイン)
• [雑誌論文] Inactivation of damping-like torque in Tb-Gd-Fe film on Ta layer (2022)
  • 著者名/発表者名: Kurokawa Yuichiro、Itoh Masahiro、Wakae Masakazu、Fujimoto Masahiro、Kamihoki Uraku、Yuasa Hiromi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 61 号: SC ページ: SC1025-SC1025
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac3fcb
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anomalous Nernst effect dependence on composition in Fe100-X Rh X alloys (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamauchi Tomoki、Hamada Yuki、Kurokawa Yuichiro、Yuasa Hiromi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 61 号: SC ページ: SC1019-SC1019
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac3ef1
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin Transfer Torque Oscillation in Orthogonal Magnetization Disks (2022)
  • 著者名/発表者名: Liu C.、Kurokawa Y.、Hashimoto N.、Horiike S.、Tanaka T.、Yuasa H.
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Magnetics 巻: 58 号: 2 ページ: 1-5
  • DOI: 10.1109/tmag.2021.3084608
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anomalous Nernst effect in Fe3Si alloy films (2021)
  • 著者名/発表者名: Hamada Yuki、Kurokawa Yuichiro、Yamauchi Tomoki、Hanamoto Hiroki、Yuasa Hiromi
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 119 号: 15 ページ: 152404-152404
  • DOI: 10.1063/5.0062637
  • 査読あり
• [雑誌論文] Insertion layer magnetism detection and analysis using transverse magneto-optical Kerr effect (T-MOKE) ellipsometry (2021)
  • 著者名/発表者名: Martin Valderrama Carmen、Quintana Mikel、Martinez-de-Guerenu Ane、Yamauchi Tomoki、Hamada Yuki、Kurokawa Yuichiro、Yuasa Hiromi、Berger Andreas
  • 雑誌名: Journal of Physics D: Applied Physics 巻: 54 号: 43 ページ: 435002-435002
  • DOI: 10.1088/1361-6463/ac0d2a
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Direct observation of magnetic process in quasi-antiferromagnet by high-resolution Kerr microscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Hashimoto Naoki、Horiike Shuu、Kurokawa Yuichiro、Tanaka Terumitsu、Chang Po-Chun、Lin Wen-Chin、Yuasa Hiromi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 60 号: SB ページ: SBBI05-SBBI05
  • DOI: 10.35848/1347-4065/abe5c2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Pressure Effects on Magnetic and Transport Properties in CoFe-Based Spin Valve (2020)
  • 著者名/発表者名: Mitsuda Akihiro、Kaneda Motoki、Matsutomo Kanta、Kimura Takashi、Yuasa Hiromi
  • 雑誌名: MATERIALS TRANSACTIONS 巻: 61 号: 8 ページ: 1483-1486
  • DOI: 10.2320/matertrans.MT-MN2019040
  • NAID: 130007879839
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • 年月日: 2020-07-01
  • 査読あり
• [雑誌論文] Influence of interface layer insertion on the spin Seebeck effect and the spin Hall magnetoresistance of Y3Fe5O12/Pt bilayer systems (2020)
  • 著者名/発表者名: Niimura Takumi、Kurokawa Yuichiro、Horiike Shu、Li Houlin、Hanamoto Hiroki、Weber Ramon、Berger Andreas、Yuasa Hiromi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 号: 9 ページ: 094411-094411
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.094411
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Composition dependence of spin Seebeck voltage in YIG/Pt100-X Ru X, Pt100-X Cu X , and Pt100-X (Cu0.5Ru0.5) XX (2020)
  • 著者名/発表者名: Li Houlin、Kurokawa Yuichiro、Niimura Takumi、Yamauchi Tomoki、Yuasa Hiromi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 号: 7 ページ: 073001-073001
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ab9653
  • 査読あり
• [雑誌論文] Determination of fine magnetic structure of magnetic multilayer with quasi antiferromagnetic layer by using polarized neutron reflectivity analysis (2020)
  • 著者名/発表者名: Yongshi Zhong, Yuichiro Kurokawa, Gen Nagashima, Shu Horiike, Takayasu Hanashima, Daniel Schnke, Pascal Krautscheid, Robert M. Reeve, Mathias Klaui, and Hiromi Yuasa
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 10 号: 1
  • DOI: 10.1063/1.5130445
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Magnetic dynamics of Quasi-antiferromagnetic layer fabricated by 90 degrees magnetic coupling (2020)
  • 著者名/発表者名: Shuu Horiike, Gen Nagashima, Yuichiro Kurokawa, Yongshi Zhong, Kazuto Yamanoi, Terumitsu Tanaka, Kimihide Matsuyama and Hiromi Yuasa
  • 雑誌名: 10.7567/1347-4065/ab5d62 巻: 59 号: SG ページ: SGGI02-SGGI02
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab5d62
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Fabrication of spin torque devices by using quasi-antiferromagnetic materials (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiromi Yuasa
  • 雑誌名: Impact 巻: 2020 号: 1 ページ: 79-81
  • DOI: 10.21820/23987073.2020.1.79
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Quasi-antiferromagnetic multilayer stacks with 90 degree coupling mediated by thin Fe oxide spacers (2019)
  • 著者名/発表者名: G. Nagashima, Y. Kurokawa, Y. Zhong, S. Horiike, D. Schonke, P. Krautscheid, R. Reeve, M. Kl&aui, Y. Inagaki, T. Kawae, T. Tanaka, K. Matsuyama, K. Ohnishi, T. Kimura, and H. Yuasa
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. 巻: 126 号: 9 ページ: 093901-093901
  • DOI: 10.1063/1.5117869
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Spin Current Enhancement by Inserting Ultra-thin Magnetic Layer at Interface between YIG and Pt (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Yuasa
  • 学会等名: INTERMAG2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 90度磁気結合を用いた磁性積層膜の磁化配列定量化 (2021)
  • 著者名/発表者名: 湯浅裕美
  • 学会等名: 令和3年度J-PARC MLF産業利用報告会
  • 招待講演
• [学会発表] 極薄い磁性膜の挿入によるスピン流増大効果 (2021)
  • 著者名/発表者名: 湯浅裕美
  • 学会等名: 日本磁気学会第79回スピントロニクス専門研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Standing Spin Wave Resonance Properties of Multiple Spin Wave Modes on Co2FeAl Magnetic Strip Under Zero Bias Field (2021)
  • 著者名/発表者名: X. Ya, K. Kurihara, K. Koki, H. Ogami, Y. Kurokawa, H. Yuasa, T. Tanaka and K. Matsuyama
  • 学会等名: INTERMAG2021
  • 国際学会
• [学会発表] Spin Transfer Torque Oscillation in Orthogonal Magnetization Disks (2021)
  • 著者名/発表者名: L. Chuhan, H. Naoki, H. Shu, Y. Kurokawa and H. Yuasa
  • 学会等名: INTERMAG2021
  • 国際学会
• [学会発表] フレキシブル基板上酸化鉄ナノ粒子膜を用いたスケーラブルなスピンゼーベック素子 (2021)
  • 著者名/発表者名: 黒川雄一郎，田原祐助，濵田勇樹，藤本真大，湯浅裕美
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Fe100-XRhX合金における異常ネルンスト効果の組成依存性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山内友喜、濱田勇樹、黒川雄一郎、湯浅裕美
  • 学会等名: 第45回日本磁気学会学術講演会
• [学会発表] 高磁気抵抗率と低閾電流密度の両立を目指すCoFeB/Tb-Fe垂直磁化細線の電流誘起磁化反転の観察 (2021)
  • 著者名/発表者名: 藤本真大、上穂木有樂、黒川雄一郎、湯浅裕美,
  • 学会等名: 第45回日本磁気学会学術講演会
• [学会発表] Insertion layer magnetism detection using transverse-MOKE ellipsometry (2021)
  • 著者名/発表者名: Carmen Martin Valderrama, Mikel Quintana, Tomoki Yamauchi, Yuki Hamada, Yuichiro Kurokawa, Hiromi Yuasa, and Andreas Berger
  • 学会等名: 2021 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM)
  • 国際学会
• [学会発表] Anomalous Nernst effect dependence on composition in Fe100-XRhX alloys, (2021)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Yamauchi, Hamada Yuki, Yuichiro Kurokawa and Hiromi Yuasa
  • 学会等名: 021 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM)
  • 国際学会
• [学会発表] Direct observation of magnetic process in quasi-antiferromagnet by high resolution Kerr microscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Naoki Hashimoto, Shuu Horiike, Yuichiro Kurokawa, Po-Chun Chang, Wen-Chin Lin, Hiromi Yuasa
  • 学会等名: 2020 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM)
  • 国際学会
• [学会発表] Spin Hall Angle Control by Doping Element into Pt Host (2020)
  • 著者名/発表者名: Houlin Li, Hiromi Yuasa, Tomoki Yamauchi, Yuichiro Kurokawa
  • 学会等名: 65th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM2020)
  • 国際学会
• [学会発表] TbxFe100-x/Pt細線のスピンオービットトルクにおけるTb添加効果 (2020)
  • 著者名/発表者名: 藤本 真大, 伊藤 正裕, 若江 将和, 黒川 雄一郎, 湯浅 裕美
  • 学会等名: 2020年度応用物理学会九州支部学術講演会
• [学会発表] 熱酸化Si基板上におけるCsCl型規則相FeRh合金薄膜成長 (2020)
  • 著者名/発表者名: 山内友喜, 花本寛気, 黒川雄一郎, 湯浅裕美
  • 学会等名: 2020年度応用物理学会九州支部学術講演会
• [学会発表] 酸化鉄ナノ粒子分散膜を用いたスピン熱電変換の観測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 黒川雄一郎, 濱田勇樹, 湯浅裕美
  • 学会等名: 第44回日本磁気学会学術講演会
• [学会発表] Magnetic dynamics of quasi-antiferromagnetic layer fabricated by 90 degrees magnetic coupling (2019)
  • 著者名/発表者名: Shu Horiike, Gen Nagashima, Yuichiro Kurokawa, Yongshi Zhong, Kazuto Yamanoi, Terumitsu Tanaka, Kimihide Matsuyama, Hiromi Yuasa
  • 学会等名: 2019 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM)
  • 国際学会
• [学会発表] 90度磁気結合膜の偏極中性子線反射率による微細磁気構造解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 鍾永師，永島玄，堀池周，花島隆泰，黒川雄一郎，湯浅裕美
  • 学会等名: 第43回日本磁気学会学術講演会
• [学会発表] Determination of fine magnetic structure of magnetic multilayer with quasi antiferromagnetic layer by using polarized neutron reflectivity analysis (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Zhong, Y. Kurokawa, G. Nagashima, S. Horiike, T. Hanashima, D. Schnke, P. Krautscheid, R.M. Reeve, M. Klaui and H. Yuasa
  • 学会等名: MMM2019
  • 国際学会
• [学会発表] 疑似反強磁性層におけるスピンホール磁気抵抗の観測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 橋本直樹, 堀池周, 鍾永師, 黒川雄一郎, 湯浅 裕美
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [備考] 2021 YEAR PUBLICATIONS
  • URL: https://www.nanogune.eu/en/publications/2021
• [備考] Wen-Chin Lin; National Taiwan Normal University
  • URL: https://scholar.lib.ntnu.edu.tw/en/persons/wen-chin-lin