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2019 年度 実績報告書

反強磁性体中におけるスピン超流動の観測

研究課題

研究課題/領域番号 19J21253
研究機関京都大学

研究代表者

池渕 徹也  京都大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2019-04-25 – 2022-03-31
キーワードスピン流 / 反強磁性体
研究実績の概要

スピン流をデバイス開発に応用することが現在盛んに研究されているが、大きな問題となっていることはスピン散逸によって情報を長距離に伝達ができないということである。従って、スピン散逸の少ない材料の開発が急務となっている。理論的研究によって絶縁性反強磁性体がスピン超流動と呼ばれるスピン散逸の少ない状態を取ることが既に知られているが、外部磁場に応答しづらいという反強磁性体特有の性質によって実験的には未だ観測されていない。先行研究では、反強磁性体にスピン流を注入し、反強磁性体中のスピン流に関する物理量を測定することに成功した。よって、本研究ではスピン超流動の観測を目指す。それによってジュール損の少ないデバイス開発に対して重要な提案をする。
2019年度はスピン超流動が生じるための条件を有すると示唆されている物質の作製およびその物質に対する物性評価を行った。スピン超流動が生じる条件として面内等方的な反強磁性体かつ伝導電子の散乱が生じないための絶縁体という2つを満たす必要がある。その候補の1つとして酸化ニッケル(NiO)が挙げられるが、この物質に関する有意な結果が得られた。また、2020年度の実験からはこの結果を参考にして行うものとする。
2020年度からは実際にスピン超流動の観測を目指す。スピン超流動は通常のスピン散逸とはスピン流の距離に対する減衰の方法が異なる。そのため、伝搬距離に応じてスピン流を検出する機構が必要となる。これは従来の実験で行ってきた方法では測定できないものであるため、測定を行うための新たな方法を模索し、観測に向けて実験を行う。

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

先行研究で行った多結晶体のNiOにおけるスピン拡散長導出の実験から着想を得て、単結晶体のNiOにおいても同様にスピン拡散長を求めるに至った。そこで、Al2O3 (0001)基板およびMgO (001)上にNiO/FeNi二層膜をスパッタ法で積層させ、NiOがそれぞれ(111)および(001)配向した試料を作製した。一般に、磁気共鳴実験により得られるFeNi層のギルバート減衰定数のNiO膜厚依存性を調査することでスピン拡散長を評価できる。その結果、NiOが(111)配向した試料ではNiOのスピン拡散長は68 nmとなり、多結晶体よりも長距離にスピン流が伝搬することが明らかになった。一方、NiOが(001)配向した試料ではギルバート減衰定数はNiO膜厚に対して変化しないためにスピン拡散長を求めることが出来なかった。この結果の解釈は2通りあり、スピン流の拡散が非常に小さいため、または、NiOにスピン流が注入されていないためと考えられる。そこで、Pt/NiO/FeNi三層膜を作製しPt層でスピン拡散が生じるか否かを調査した。その結果、二層膜に対し三層膜ではギルバート減衰定数の増大を確認した。この結果より、NiO(001)配向ではスピン流の拡散が非常に小さく長距離に伝搬していることを示唆している。

今後の研究の推進方策

今後の研究計画として、主に3つを挙げる。
1つ目に、昨年度に実施した研究をまとめ論文として発表することである。昨年度はスピン超流動が生じるための条件を有すると示唆されている物質の作製およびその物質に対する物性評価を行った。スピン超流動が生じる条件として面内等方的な反強磁性体かつ伝導電子の散乱が生じないための絶縁体という2つを満たす必要がある。その候補の1つとして酸化ニッケル(NiO)が挙げられるが、この物質に関する有意な結果が得られたため、これを論文として発表する。また、以下の実験ではこの結果を参考にして行うものとする。
2つ目に、スピン超流動を測定するためのデバイス加工技術を確立することである。スピン超流動は通常のスピン散逸とはスピン流の伝搬距離依存性が異なる。そのため、伝搬距離に応じてスピン流を検出する機構が必要となる。これは従来の実験で行ってきた方法では測定できないものである。この方策として申請者は新たに非局所測定法に着目した。そこで非局所測定を行うためのデバイス加工に必要な条件出しを行う。
3つ目に、非局所測定法によるスピン超流動の測定を行うことである。これまでに述べたように非局所測定法により面内等方的な絶縁性反強磁性体を用いてスピン流の伝搬距離依存性を調査する。これを先行の理論研究による表式によって解析し、スピン超流動の同定を行う。
これらに加えて、積極的に国際会議および国内学会に参加し、発表や物性物理の最先端の情報収集を行う予定である。

  • 研究成果

    (6件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 1件)

  • [雑誌論文] Large anomalous Hall effect in L12-ordered antiferromagnetic Mn3Ir thin films2020

    • 著者名/発表者名
      Iwaki Hiroyuki、Kimata Motoi、Ikebuchi Tetsuya、Kobayashi Yuta、Oda Kent、Shiota Yoichi、Ono Teruo、Moriyama Takahiro
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 116 ページ: 022408~022408

    • DOI

      https://doi.org/10.1063/1.5128241

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Temperature dependence of magnetic resonance in ferrimagnetic GdFeCo alloys2019

    • 著者名/発表者名
      Okuno Takaya、Kim Se Kwon、Moriyama Takahiro、Kim Duck-Ho、Mizuno Hayato、Ikebuchi Tetsuya、Hirata Yuushou、Yoshikawa Hiroki、Tsukamoto Arata、Kim Kab-Jin、Shiota Yoichi、Lee Kyung-Jin、Ono Teruo
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 12 ページ: 093001~093001

    • DOI

      https://doi.org/10.7567/1882-0786/ab33d5

    • 査読あり
  • [学会発表] 単結晶NiO薄膜におけるスピン流伝送の結晶配向依存性Ⅱ2019

    • 著者名/発表者名
      池渕徹也,森山貴広,小田研人,岩城宏侑,小野輝男
    • 学会等名
      日本物理学会2019年秋季大会
  • [学会発表] Crystal orientation dependence of the spin current transmission in single crystalline NiO thin films2019

    • 著者名/発表者名
      池渕徹也,森山貴広,小田研人,岩城宏侑,小野輝男
    • 学会等名
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 単結晶NiO薄膜におけるスピン流伝送の結晶配向依存性2019

    • 著者名/発表者名
      池渕徹也,森山貴広,小田研人,岩城宏侑,小野輝男
    • 学会等名
      日本磁気学会第43回学術講演会
  • [学会発表] Crystal orientation dependence of the spin current transmission in single crystalline NiO thin films2019

    • 著者名/発表者名
      Tetsuya Ikebuchi, Takahiro Moriyama, Hayato Mizuno, Kent Oda, Hiroyuki Iwaki and Teruo Ono
    • 学会等名
      2019MMM conference
    • 国際学会

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公開日: 2021-12-27  

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