スピン軌道トルク磁化反転の高効率化に向けたコヒーレント成長窒化物ヘテロ接合の応用

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19K04499
• 研究機関: 国立研究開発法人物質・材料研究機構
• 研究代表者: 磯上 慎二 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, 主任研究員 (10586853)
• 研究分担者: 末益 崇 筑波大学, 数理物質系, 教授 (40282339) ; 角田 匡清 東北大学, 工学研究科, 准教授 (80250702)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 電流誘起磁化反転 / マンガン窒化物薄膜 / 磁気構造 / トポロジー

研究実績の概要

電流誘起磁化反転に要する臨界電流密度（Jc）の大幅な低減のため，Mn基窒化物薄膜の開発と反転特性評価実験を行った．当初はスピン軌道トルクによる電流誘起磁化反転を狙うため，Ptなどのスピンホール材料とのヘテロ接合素子を用いる計画であったが，最終的にスピンホール材料を不要としMn基窒化物薄膜単一層にて磁化反転できることを新しく実証した（期待を上回る成果）．また，電流誘起磁化反転素子で標準となっているCoFeB磁性膜の場合に比べて約１桁程度小さい1 MA/cm2以下のJcで磁化反転できることを実証した．これは磁気メモリ素子を想定した場合，ヘテロ接合素子あるいは強磁性トンネル素子などのデバイスが不要となるため，従来に無いシンプルな構造で高集積性の向上に直結する意義のある成果である．単一磁性層の自己誘導トルクに関しては，反強磁性層，強磁性層，フェリ磁性層のいずれにおいても報告されていることを鑑みると，本研究のMn基窒化物薄膜で観測された結果は物理的に説明できる可能性がある．そこで，磁気構造解明を目的としたトポロジカルホール効果の測定を実施した．その結果，Mn基窒化物薄膜の磁化過程では説明できない成分が異常ホール信号に重畳していることが判った．これはMn磁気モーメントの面内非共線構造を裏付けていることから，このような磁気構造が高効率かつ単一層での電流誘起磁化反転を誘発したものと結論づけた．非共線型磁気構造はスキルミオン格子などの特異な磁区構造の発現に寄与するため，将来の大規模量子情報に対応したストレージ技術に貢献できる可能性があり，その電流制御，温度制御，ダイナミクスに関する研究が行われている．本研究で明らかになったMn基窒化物薄膜における磁気構造の優れた操作性を鑑みると，今後の展開として，そのような分野に貢献できるものと期待される．

研究成果

• [雑誌論文] Impact of B-doping on topological Hall resistivity in (111)- and (110)-oriented Mn4N single layers with the non-collinear spin structure (2022)
  • 著者名/発表者名: Isogami Shinji、Ohtake Mitsuru、Takahashi Yukiko K.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 131 ページ: 073904～073904
  • DOI: 10.1063/5.0083042
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of Composition on the Ordered Phase Formation in Mn-Al and Mn-Ge Alloy Thin Films Grown on Cr(001) Single-Crystal Underlayers (2022)
  • 著者名/発表者名: Noro Shota、Nakano Kotaro、Ohtake Mitsuru、Isogami Shinji、Futamoto Masaaki、Kawai Tetsuroh、Kirino Fumiyoshi、Inaba Nobuyuki
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Magnetics 巻: 10 ページ: 1～1
  • DOI: 10.1109/TMAG.2022.3151235
  • 査読あり
• [雑誌論文] Long-term outdoor observation of geomagnetic fields using tunneling magnetoresistance-based magnetometer and detection of long-period oscillations of geomagnetic pulsations: prospects for earthquake disaster prevention (2021)
  • 著者名/発表者名: Isogami Shinji、Oishi Yuto、Furukawa Chikara、Ohnishi Nobuhito、Okubo Kan
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 14 ページ: 056502～056502
  • DOI: 10.35848/1882-0786/abf66a
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Efficient current-driven magnetization switching owing to isotropic magnetism in a highly symmetric 111-oriented Mn4N epitaxial single layer (2021)
  • 著者名/発表者名: Isogami Shinji、Rajamanickam Nagalingam、Kozuka Yusuke、Takahashi Yukiko K.
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 11 ページ: 105314～105314
  • DOI: 10.1063/5.0062253
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Magnetic Properties in CH3NH3PbI3 Perovskite Thin Films by Mn Doping (2021)
  • 著者名/発表者名: Rajamanickam Nagalingam、Chowdhury Towhid H.、Isogami Shinji、Islam Ashraful
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 125 ページ: 20104～20112
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c06558
  • 査読あり