| 研究課題/領域番号 |
16H03850
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
鈴木 義茂 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (50344437)
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| 研究分担者 |
三輪 真嗣 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (20609698)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 磁界センサー / トンネル磁気抵抗素子 / 微小センサー / 1/fノイズ / 非線形マグノイズ / 二重共鳴 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は大きく3つのテーマに分かれる。1つめは単一高感度トンネル磁気抵抗素子磁界センサーの開発であり、2つめはセンサーの集積化による検出感度の増大の実証、3つめは、単一センサーと外部スピン系の二重共鳴の検出である。トンネル磁気抵抗素子は2枚の強磁性層とそれを隔てる絶縁体の層からなる。本研究グループは過去において非常に大きな磁気抵抗効果を示すFe/MgO/Feトンネル磁気抵抗素子の研究開発とその応用研究において大きな寄与をした。本研究では、まず、ナノ磁性体に特有のコヒーレントな磁化ダイナミクスを実現することを試みた。具体的には磁気異方性を制御したFeB層を磁化フリー層とすることにより利用することにより100nm程度の磁気抵抗素子においてコヒーレントな磁化ダイナミクスを実現した。さらにこの素子に大きな電流を流すことによりスピントルク発振を実現した。その結果、5nW程度と非常に大きな発振出力を得ることに成功した。
次に、このような素子を用いて理論限界に迫る磁界感度を持つ磁気センサーの実現を目指した。このことにより磁壁に起因する1/fノイズが抑制され高S/N測定が可能となると期待される。さらに、磁化の非線形ダイナミクスに起因する非線形マグノイズを磁気ポテンシャルの対称性の制御により抑制することにより理想的な感度の実現を目指した。また、ナノ磁性体とラジカル分子が持つ孤立スピンなどとの二重共鳴を検出するための予備実験を行った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
H29年度はH28年度までに作製したトンネル磁気抵抗素子のノイズ測定と二重共鳴測定に重点をおいて研究を行った。まず、あらゆる方位にバイアス磁界を印加して磁気共鳴の測定を行ったところ垂直から10度程度傾けた角度に外部磁界を印加したときに安定して小さな線幅を示すことを見出した。このときの共鳴の半値幅は20MHz程度にまで小さくなった。このとき外部委磁場の方向をさらに精密に調整することにより100MHz以上の周波数帯にみられる1/fノイズが消失することをこれまでに見出している。そこで、今回はさらに100 kHz以下の低周波ノイズの測定に挑戦した。しかし、この周波数帯では回路および外来起因の1/fノイズが大きく素子本来の1/fノイズの検出には至らなかった。今後、測定回路および回路と素子の接続を工夫する必要がある。このように悪条件ではあったが316.2Hzにおいて600nTの磁界感度を得ることに成功した。これは、スケーリング則によれは1mmの素子においては数10pT程度の磁場感度に相当し、非常に高感度であることが分かる。
次に、外部からの高周波電流の注入に対する応答の評価を行うことにより素子の磁気ダイナミクスの評価を詳細に行った。その結果、電気的な刺激に対しても非常に大きな応答を示すことが確認できた。
次に二重共鳴の予備実験としてイットリューム鉄ガーネット(YIG)膜を素子に隣接して二重共鳴の測定を試みた。実験に先立ち、YIG膜の共鳴周波数の外部磁界依存性とスピントランスファー発振器の発振周波数の外部磁界依存性を個別に測定して二重共鳴が生じる磁界およびその角度を特定した。そのうえで素子上にYIG膜を接触させて共鳴測定を行った。その結果、スピントランスファー発振器の発振周波数が全体的にシフトするのみで二重共鳴の兆候は見られなかった。周波数のシフトはYIGからの漏れ磁場の影響と考えられる。
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| 今後の研究の推進方策 |
以上、H29年度の研究にはやや遅れがみられた。その原因の一つは本テーマの採択時の予算査定額が低かったことから十分な予算措置ができなかったことが影響している。そこで、以下のようなテーマの縮小と工夫を行い本研究の本質的な目的を達成したい。
1. 単一高感度センサーの開発
(a) 面直磁化型センサー H29年度までにFeB/MgO/CoFeB接合で、共鳴周波数を1GHz以下にでき大きな磁場感度が得られることを証明した。しかし、20kHz以下では外来ノイズなどが大きく十分なS/N測定が行えなかった。そこで、H30年度は低周波アンプとその接続回路の改良を行いこの周波数域での測定を可能にする。
(b) スピントランスファー発振型センサー トンネル磁気抵抗素子を発振状態にしたときの磁場感度を調べる。特に振幅検波と位相検波の感度について比較する。また、二十共鳴を将来実現するために磁気ビーズの作る磁場の検出を試みる。
2. センサーの集積化による検出感度の増大
上記の測定回路の改良の上で、面直磁化型センサーを直並列に接続した場合のノイズと磁界感度の測定を行う。ことにより原理的には無相関な熱ノイズをスケーリングに従い除去できることが期待される。また、素子アレイに発生するスピン波などの集団運動についても平均化による除去が可能か調べる。また、アレイ型素子に対する非線形ノイズの影響を調べる。以上のことから本素子のアレイ化による感度増大の限界を明確にする。
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