| 研究領域 | ナノスピン変換科学 |
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| 研究課題/領域番号 |
26103002
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
大谷 義近 東京大学, 物性研究所, 教授 (60245610)
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| 研究分担者 |
Jansen Ronald 国立研究開発法人産業技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (40600250)
松倉 文礼 東北大学, 学内共同利用施設等, 教授 (50261574)
木村 崇 九州大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (80360535)
小野 輝男 京都大学, 化学研究所, 教授 (90296749) [辞退]
新見 康洋 大阪大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (00574617)
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| 研究期間 (年度) |
2014-07-10 – 2019-03-31
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| キーワード | スピン流 / スピン軌道相互作用 / スピンホール効果 / スピン電荷変換 |
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| 研究実績の概要 |
平成27年度は、26年度に購入し立ち上げた収束インビーム加工装置を用いて、純良なバルク単結晶から微細構造を有する素子の作製手法を確立した。この手法を用いて、特異な表面伝導が期待される単結晶NiS2やMn3Snなどの反強磁性体を微細加工し、表面伝導あるいは反強磁性ドメインの効果を顕在化させる微細素子の作製を行った。その結果、異常ホール効果をはじめとする電気伝導物性のサイズ効果が観測され始めている。
本研究で開発したCu／Bi2O3界面のスピン流電流変換機構を利用してスピンゼーベック効果を検出することを目的として本A01班とA04班の班間共同研究を開始した。バルクのスピンホール効果ではなくCu／Bi2O3界面を用いてYIGのスピンゼーベック効果の観測に世界に先駆けて成功した。非線形なスピン流電流変換については、通常、スピン軌道相互作用の強い非磁性体では、電流は注入したスピン流に線形的にしか変換されないが、複雑なスピン構造を有するスピングラスでは、この系に特有なスピン揺らぎの効果によって、電流が非線形的に変換されて減少することを見出した（Phys. Rev. Lett. に掲載）。
電場による非線形効果を探索した研究からは、強磁性共鳴状態にある磁性半導体(Ga,Mn)Asから隣接する金属Pt薄膜にスピン流がポンプされること (Appl. Phys. Lett.に掲載)、さらに電場により磁気緩和が変調されること（Phys. Rev. Lett.に掲載）、CoFeB/MgOナノ磁気トンネル接合では電場により非線形に強磁性共鳴が誘起されること（Appl. Phys. Lett.に掲載）が分かった。その他、異なる磁気特性を持つ磁性体を積層した磁性多層膜をもちいると多層膜特有のスピンダイナミクスを起源とする磁気共鳴現象が観測されることが分かった。
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| 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
当初の計画通り純良な単結晶をFIBにより微細加工した素子作製手法を確立した。さらに伝導測定によりサイズ効果を測定できるまで研究を進めることができた。また、本研究計画で開発した界面を用いてスピンゼーベック効果の測定ができたこと（現在論文準備中）は、班間連携の成果であり、予想以上の成果につながる。スピン揺らぎに起因する非線形スピン流電流変換現象に関しては、これまでに報告されている磁気転移温度近傍での10％の変調に比べ80～90％に達する大きな変調量に達し、これも、予想以上の成果であった。
電場による非線形強磁性共鳴励起に関しては、現在その発現機構を実験と理論の両面から解明するためにA05班との連携研究を推進している。ナノ磁気トンネル接合における電界誘起磁化反転の研究に関しては、超低消費エネルギー磁化反転の実証と素子動作特性の改善に取り組んでいる。また対象材料の幅を拡げるべく、トポロジカル絶縁体の結晶成長に着手した。磁性多層膜の特異な磁気共鳴に関しては、適切な成膜、及びアニール条件により、互いの共鳴周波数が近づき、最終的には、同期的な共鳴が生じることを見出した。同期時の共鳴の鋭さは、非常に鋭く、実験から見積もられたダンピング定数は、単層膜よりも小さくなった。以上から予想以上の成果が出ていると自己評価した。
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| 今後の研究の推進方策 |
スピングラスにおける非線形スピン変換の物理をより深めるため、今回PRL誌に報告されたCuMnBi合金とは異なり、よりシンプルな系であるPdCr合金中での非線形スピン変換を観測する。さらに、よりスピン揺らぎが強い系として、三角格子反強磁性体層状化合物Ag2CrO2がある。この系はその他の反強磁性体と異なり、金属的な振舞いを示すため、この物質での非線形スピン変換の実現、さらに信号の増幅を目指す。
磁気異方性、キュリー温度といった様々な磁気的パラメータが電界により制御可能であることが分かっている。ダンピング定数や磁気交換スティッフネス定数といったその他の磁気パラメータがどの程度まで電気的に制御できるかを明らかにする。その上で効率の良い磁気-電気相互変換方針を示し、素子の動作原理を実証する。スピン-軌道相互作用を介して動作する素子の実証にはトポロジカル絶縁体とそれをベースとする強磁性・反強磁性体を用いる予定である。材料科学をベースに、実応用に対する指針を明らかにする。
磁性多層膜において観測された同期型共鳴については、より鋭い共鳴が生じる物質系を探求すると同時に、鋭い共鳴特性が得られた多層膜に関して、微細加工を施し、電流によるスピントルクダイナミクス制御の可能性を試みる。
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