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極薄の非磁性絶縁層を強磁性電極層で挟み込んだトンネル磁気抵抗（TMR）素子に電流を注入すると、特定の条件下ではスピン移行トルク効果により強磁性電極層の磁化が歳差運動する。このときの発振周波数は磁性材料の特性に依存し、垂直磁化電極を用いた場合には垂直磁気異方性磁界(垂直方向に向いている磁化を水平方向に傾けるのに要する磁場)が大きいほど、発振周波数が大きくなる。そこで、本研究では、従来の磁性材料では到達不可能なテラヘルツ帯域(300 GHz以上)で動作する高周波素子の実現に向けた新材料トンネル磁気抵抗素子の開発、および低電流駆動に向けたスピン軌道トルクによる発振アシスト方法の可能性を検討した。
今年度は、前年度に開発したMnGa/Mn電極構造を上回る垂直磁気異方性磁界を示す電極構造の探索を行った。その結果、MnGa層のシード層であるCoGa層上に直接数原子層程度の厚みのMn層を形成したCoGa/Mn構造において、Mn層が25 kA/mというFeの約1/70という小さな飽和磁化と30Tに迫る巨大なHkを持つ垂直磁化膜となることを発見し、さらにその電極構造を用いたTMR素子において室温で明瞭なTMR効果と電圧による垂直磁気異方性の変調効果を観測した。Mnは反強磁性または常磁性を示すことが知られているが、CoGAおよびMgOにより形成された非対称な界面構造の効果によりフェリ磁性体へと変化したことが起源と推測している。今後は、積層構造・成膜プロセスの改良によるTMR比の向上と垂直磁気異方性発現機構の解明を行う。
また、CoGa/Mn/MgO構造においてスピン軌道トルクによるMn層の磁化反転を試み、その磁化反転を観測した。このことは、巨大な垂直磁気異方性磁界を持つ電極構造においてもスピン軌道トルクによる発振アシスト方法が有効であることを示唆している。
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