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磁気スカーミオンを用いた非平衡熱力学の構築

研究課題

研究課題/領域番号 20K14419
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分13030:磁性、超伝導および強相関系関連
研究機関国立研究開発法人物質・材料研究機構

研究代表者

杉本 聡志  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究センター, 主任研究員 (90812610)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2022年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2021年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2020年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
キーワード磁気スカーミオン / 薄膜 / 磁性 / 非線形応答 / 遷移金属化合物 / トポロジカル絶縁体 / スピントロニクス / 薄膜作製技術 / 機械学習 / 希土類間化合物 / 希土類金属間化合物 / 磁気イメージング / ホイスラー合金 / トポロジカル効果 / 表面・界面 / 金属 / 統計物理学
研究開始時の研究の概要

磁気スカーミオンは、トポロジカル効果により、小型化・低エネルギー操作が可能となる新奇的な磁化パターンである。
本研究では、強いスカーミオン同士の相互作用を示す超薄膜ヘテロ構造を用いることで、従来の線形応答に加え、新たに非線形過程に発現する物性に着目する。非線形応答に現れる集団的スカーミオン秩序や増殖過程の微視的起源を明らかにし、新たにスカーミオン粒子を用いた統計モデルの構築を目指す。

研究成果の概要

粒子状のトポロジカル磁気構造である磁気スカーミオンについて、これまで注目を集めていた固定質点近似される線形運動ではなく、あらたに長距離集団運動を示す非線形応答についての研究を進めた。既存の群速度と分布勾配の定量的なモデルの構築に加え、スカーミオン個数制御手法を新たに検証した。これらを用いて、物理リザーバーに要求される(i)多次元性、(ii)メモリ効果、(iii)非線形性の3つの特性を担保することで、磁気スカーミオンをもちいたリザーバーコンピューティングを初めて実証した。加えて、高温・低磁場下で有効なスカーミオン安定材料の開発と、高効率駆動に向けた異方性トルクの生成研究も行われた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究の成果は、L2クラスメモリとして注目を集める不揮発性メモリの研究開発に直結する。磁気スカーミオンは小型、かつトポロジカル効果による低電流駆動が可能な磁区構造として、その採用は、不揮発性メモリの障壁であった書き込み電流の大幅な低下を実現する可能性を秘めている。また、本研究で確認された非線形応答は、そのまま物理リザーバーの構築に適用できることが検証され、古典的なメモリデバイスの枠を超えた新規デバイス構築の実現性も示唆される結果となった。また、研究の一環で観察された異方性トルクは、電流操作磁化反転においても極めて新規的な性質を示している。

報告書

(5件)
  • 2023 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 研究成果

    (17件)

すべて 2024 2023 2022 2021 2020

すべて 雑誌論文 (10件) (うち査読あり 9件、 オープンアクセス 6件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] Observation of charge-to-spin conversion with giant efficiency at Ni0.8Fe0.2/Bi2WO6 interface2023

    • 著者名/発表者名
      Das Saikat、Sugimoto Satoshi、Kushwaha Varun Kumar、Kozuka Yusuke、Kasai Shinya
    • 雑誌名

      APL Materials

      巻: 11 号: 4 ページ: 041113-041113

    • DOI

      10.1063/5.0142695

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Near-room temperature topological Hall effect at spin reorientations in sputtered NdCo5-xCux thin film2022

    • 著者名/発表者名
      Sugimoto Satoshi、Takahashi Yukiko K.、Kasai Shinya
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 121 号: 18 ページ: 182404-182404

    • DOI

      10.1063/5.0128572

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Pattern recognition with neuromorphic computing using magnetic field-induced dynamics of skyrmions2022

    • 著者名/発表者名
      Yokouchi Tomoyuki、Sugimoto Satoshi、Rana Bivas、Seki Shinichiro、Ogawa Naoki、Shiomi Yuki、Kasai Shinya、Otani Yoshichika
    • 雑誌名

      Science Advances

      巻: 8 号: 39 ページ: 1-7

    • DOI

      10.1126/sciadv.abq5652

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Transition of topological Hall effect for tetragonal Heusler Mn2PtSn thin film2021

    • 著者名/発表者名
      Sugimoto Satoshi、Takahashi Yukiko、Kasai Shinya
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 14 号: 10 ページ: 103003-103003

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ac223f

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Negative correlation between the linear and the nonlinear conductance in magnetic tunnel junctions2021

    • 著者名/発表者名
      Shuichi Iwakiri, Satoshi Sugimoto, Yasuhiro Niimi, Yusuke Kozuka, Yukiko K. Takahashi, Shinya Kasai, and Kensuke Kobayashi
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 103 号: 24

    • DOI

      10.1103/physrevb.103.245427

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Electrical nucleation, displacement, and detection of antiferromagnetic domain walls in the chiral antiferromagnet Mn3Sn2020

    • 著者名/発表者名
      Sugimoto Satoshi、Nakatani Yoshinobu、Yamane Yuta、Ikhlas Muhammad、Kondou Kouta、Kimata Motoi、Tomita Takahiro、Nakatsuji Satoru、Otani Yoshichika
    • 雑誌名

      Communications Physics

      巻: 3 号: 1 ページ: 111-111

    • DOI

      10.1038/s42005-020-0381-8

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Interlayer exchange coupling modulated all-optical magnetic switching in synthetic ferrimagnetic heterostructures2020

    • 著者名/発表者名
      Wang Jian、Sugimoto Satoshi、Kasai Shinya、Takahashi Yukiko K
    • 雑誌名

      Journal of Physics D: Applied Physics

      巻: 53 号: 47 ページ: 475002-475002

    • DOI

      10.1088/1361-6463/ababd0

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Spin injection efficiency through the pumping in epitaxial Co2MnSi/Pt thin film2020

    • 著者名/発表者名
      Sasaki Y.、Sugimoto S.、Takahashi Y. K.、Kasai S.
    • 雑誌名

      AIP Advances

      巻: 10 号: 8 ページ: 085311-085311

    • DOI

      10.1063/5.0008393

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Generation of multipeak spectrum of spin torque oscillator in non-linear regime2020

    • 著者名/発表者名
      Iwakiri Shuichi、Sugimoto Satoshi、Niimi Yasuhiro、Kobayashi Kensuke、Kozuka Yusuke、Takahashi Yukiko K.、Kasai Shinya
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 117 号: 2 ページ: 022406-022406

    • DOI

      10.1063/5.0013102

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Multiple modes of a single spin torque oscillator under the non-linear region2020

    • 著者名/発表者名
      Sugimoto Satoshi、Iwakiri Shuichi、Kozuka Yusuke、Takahashi Yukiko、Niimi Yasuhiro、Kobayashi Kensuke、Kasai Shinya
    • 雑誌名

      AIP Advances

      巻: 10 号: 7 ページ: 075115-075115

    • DOI

      10.1063/5.0013105

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Biカルコゲナイド薄膜における異方性スピン軌道トルクの生成2024

    • 著者名/発表者名
      杉本聡志、荒木康史、高橋有紀子、家田淳一、葛西伸哉
    • 学会等名
      日本物理学会2024年春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Transition of Topological Hall signal for Mn-based inverse Heusler thin films2022

    • 著者名/発表者名
      杉本 聡志、葛西 伸哉、高橋 有紀子
    • 学会等名
      24th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 薄膜形成技術に向けた磁気光学顕微鏡2022

    • 著者名/発表者名
      杉本 聡志、佐々木 悠太、葛西 伸哉、高橋 有紀子
    • 学会等名
      日本磁気学会 第236回研究会/第69回化合物新磁性専門研究会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Mn系規則合金薄膜における 巨大なトポロジカルホール効果の検出2021

    • 著者名/発表者名
      杉本 聡志, 葛西 伸哉, 高橋 有紀子
    • 学会等名
      日本物理学会2021年秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Mn 系規則合金薄膜の輸送特性と磁気異方性の発現2021

    • 著者名/発表者名
      杉本 聡志, 高橋 有紀子
    • 学会等名
      日本物理学会第76回年次大会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] 非線形領域でのマルチモード生成2020

    • 著者名/発表者名
      杉本 聡志, 葛西 伸哉, 高橋 有紀子
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [図書] 次世代EV/HEV用モータの高出力化と関連材料の開発2022

    • 著者名/発表者名
      加藤 克司、牧野 秀樹、小森 雅晴、他57名
    • 総ページ数
      673
    • 出版者
      技術情報協会
    • ISBN
      9784861048692
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書

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公開日: 2020-04-28   更新日: 2025-01-30  

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