研究課題
反強磁性体は、スピンが反平行に並び、ネール温度以下でも合成された磁気モーメントはゼロであるため、漏れ磁場が無いなどの特徴を持つ。そのため超高密度の磁気メモリを実現する可能性を秘めている。一方で反強磁性体の磁化配向(ネールベクトル)の電気的な検出や操作はこれまで困難と考えられてきた。そこで、磁気メモリへの応用に向けてネールベクトルを電気的に検出し操作する必要がある。まず、ネールベクトルの電気的な検出を試みた。一般に、強磁性体においては印加電流と磁化の相対角度によって抵抗値が変化する異方性磁気抵抗効果が存在するため、抵抗値から磁化方向を検出できる。反強磁性体においてもこれを観測するためには、ネールベクトルを操作する必要がある。反強磁性体に十分に大きな磁場Hを印加すると、ネールベクトルは磁場に対して垂直方向に配向する。実際に、Hを回転させながら反強磁性金属IrMnを含む多層膜の細線に電流を印加して抵抗値を測定した。その結果、Hに対してネールベクトルが垂直方向に配向していることを示唆した抵抗変化を得た。以上より、ネールベクトルを電気的に検出することに成功した。次に、ネールベクトルを電気的に操作することを試みた。ここで、スピン角運動量の流れであるスピン流に着目した。スピン流はPtのようなスピン軌道相互作用の大きな物質に電流を流すとスピンホール効果により生成される。そのスピン流を反強磁性酸化物CoOに注入することで、ネールベクトルを操作できると期待される。実験では、Pt (4 nm) / CoO (10 nm) / Pt (4 nm)を十字型の素子に加工したあと、書込み電流を流してスピン流をCoOに注入し、読取り電流を流して電気抵抗を測定した。その結果、書込み電流の方向に応じて抵抗値が切り替わったことから、CoOのネールベクトルを操作することに成功した。
1: 当初の計画以上に進展している
本研究課題の目標は、反強磁性体のネールベクトルを電気的に検出し操作したうえで、メモリとしての動作を検証することである。申請した研究計画では1年目でネールベクトルの方向を電気的に検出するとした。上述したように、実際にはネールベクトルの電気的な検出に加えて反強磁性CoOを用いた磁気メモリの連続的な読み書きまで達成したため、当初の計画以上に研究が進展したと判断した。
次年度は、スピン流で反強磁性体のネールベクトルを操作したことを多面的に検証する。一つ目は、SPring-8にてX線磁気直線二色性と光電子顕微鏡による反強磁性体の磁気イメージング手法を利用する。これによって、電流印加で磁区が変化する様子の観測を試みる。二つ目は、強磁場を印加してネールベクトルを操作したときの磁気抵抗効果を測定し、スピン流による抵抗変化との定量的な比較検討を行う。三つ目は、スイッチング実験の温度依存性を測定し、反強磁性体が常磁性となる温度領域でメモリ特性が失われるかどうか検証する。
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すべて 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 2件、 査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (3件) (うち国際学会 1件) 備考 (1件)
Applied Physics Express
巻: 11 ページ: 036601
https://doi.org/10.7567/APEX.11.036601
PHYSICAL REVIEW LETTERS
巻: 119 ページ: 267204
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.267204
https://www.kuicr.kyoto-u.ac.jp/sites/topics/171229/
