| 研究課題/領域番号 |
22H04964
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| 研究種目 |
基盤研究(S)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
大区分D
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| 研究機関 | 慶應義塾大学 |
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研究代表者 |
安藤 和也 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (30579610)
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| 研究分担者 |
三輪 真嗣 東京大学, 物性研究所, 准教授 (20609698)
浜屋 宏平 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (90401281)
片瀬 貴義 東京科学大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (90648388)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-27 – 2027-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2025年度)
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| 配分額 *注記 |
197,340千円 (直接経費: 151,800千円、間接経費: 45,540千円)
2025年度: 25,090千円 (直接経費: 19,300千円、間接経費: 5,790千円)
2024年度: 23,920千円 (直接経費: 18,400千円、間接経費: 5,520千円)
2023年度: 39,520千円 (直接経費: 30,400千円、間接経費: 9,120千円)
2022年度: 84,500千円 (直接経費: 65,000千円、間接経費: 19,500千円)
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| キーワード | スピントロニクス |
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| 研究開始時の研究の概要 |
物質中の電子は電荷・スピン・軌道の自由度を持ち、電流とスピン流は現代の産業・電子物理の基盤である。一方、軌道自由度に対応する「軌道流」は存在そのものが実験的には明らかではなかった。本研究は、軌道流まで包括する「角運動量流」の生成・変換・制御原理を体系化することで、従来の電子技術の延長線上にはない新たなテクノロジー体系「スピン軌道エレクトロニクス」の基盤を構築するものである。
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| 研究実績の概要 |
軌道流の長距離応答が強磁性物質の結晶対称性によって制御可能であることを明らかにした。原子配列の規則性が異なるL11構造及びA1構造CoPt合金における軌道輸送長を系統的に調べた結果、A1構造CoPt合金において長距離の軌道輸送が実現されることが明らかになった。原子配列の乱れた系が軌道流の長距離伝導を可能にするという直感とは反するこの結果は、縮退に近い軌道状態が軌道流の伝導を担うという理論模型を支持するものである。また、これまでの軌道流研究の主な舞台はスピンホール効果とスピン流が無視できるスピン軌道相互作用が弱い軽金属であったが、この対極にあるスピン軌道相互作用が強い重金属においても、軌道ホール効果と軌道流が重要となることを見出した。特に、スピン軌道相互作用を基軸とした近年のスピントロニクスの発展の中で最も重要な役割を果たしてきたPtにおいても軌道ホール効果による角運動量輸送が支配的となる条件を明らかにした。2024年度は、さらに軌道流の新たな生成現象を明らかにした。軌道トルクは強磁性体に軌道流を注入すると磁化ダイナミクスが駆動される現象である。軌道トルクが顕著に現れる系が明らかになったことで、この逆効果である磁化ダイナミクスが軌道流を生成する「軌道ポンピング」の観測を狙った実験が可能となった。顕著な軌道トルクが観測されたNi/Tiにおいてマイクロ波により強磁性共鳴を駆動し、試料に生じる電流の膜厚・物質・磁場依存性を詳細に調べることで、軌道ポンピングに起因する逆軌道ホール効果による信号を観測することに成功した。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
1: 当初の計画以上に進展している
理由
本研究推進の基盤となる軌道流の生成手法を確立し、軌道流の基礎的物性を早期に明らかにすることを目的とし、スピン軌道相互作用の弱い系に注目して電流誘起トルクの物質・構造依存性データを構築してきた。この中で、スピン流と軌道流の分離や定量性の観点から、軌道流物性研究を可能にする系を特定した。これにより軌道流の伝導・応答に関する基礎的知見を得ることに成功し、軌道流とスピン流の本質的違いが明らかになってきた。さらに、スピントロニクス現象開拓の標準的素子においても軌道流が重要となることを見出した。この結果は、スピン流を中心として理解されてきたスピントロニクス研究に対して大きなインパクトが期待される。また、スピン流を自在に制御しようとする試みは、スピントロニクスの発展に大きく寄与してきた。本研究により、結晶対称性に基づく軌道流の制御原理が明らかになったことは、軌道流に基づく電子物理・工学に貢献するものである。以上に加え、軌道流物性が顕在化する系が特定されたことで、軌道流が誘起する新現象開拓が可能となり、磁化ダイナミクスによる新たな軌道流生成現象を明らかにするなど、研究は計画以上に順調に進展しており、当初の目的は十分に達成されている。
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでの研究に引き続き、軌道流源となる物質の開拓と軌道流の基礎的性質（伝導・応答）の解明に取り組むとともに、電流と軌道流の変換・軌道流とスピン流の変換に関する系統的データを構築する。これまでの研究により、軌道ホール効果だけでなく軌道ポンピングも軌道流生成原理として用いることが可能となったため、これらを併用してエピタキシャル試料を含めた素子における角運動量輸送に関する研究を広く展開できる。
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| 評価結果 |
中間評価
A+: 想定を超える研究の進展があり、期待以上の成果が見込まれる
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