| 研究課題/領域番号 |
20H00299
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
関 剛斎 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (40579611)
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| 研究分担者 |
三浦 良雄 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, グループリーダー (10361198)
温 振超 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 (40784773)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | スピントロニクス / スピンオービトロニクス / スピン変換 / 規則合金 |
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| 研究実績の概要 |
本研究課題では、大きく分けて①強磁性金属内におけるスピン変換の全容の究明、②自己誘導的スピン軌道トルクの機構の理解とその制御、③高いスピン変換効率を有する強磁性金属を創製の３つの研究項目を計画しており、2021年度は各々の項目について以下のように研究に取り組んだ。
①に関して、強磁性スピン変換層 (FM1) / 非磁性層 (NM) / 強磁性検出層 (FM2)の巨大磁気抵抗(GMR)膜において、スピントルク強磁性共鳴（ST-FMR）およびホール電圧の高調波測定を用いることによりスピン変換を定量的に評価した。特に、2020年度に構築した温度可変の高周波対応プロープステーションを用いて温度を変化させながらST-FMRを詳細に測定し、Co系合金におけるスピン変換効率の温度依存性を明らかにした。さらに、Pt系合金におけるスピン変換効率の結晶構造依存性や、新規材料としてB20型CoSi合金のスピンホール効果などを調べ、強磁性体におけるスピン変換の機構を理解する上で有用な知見が得られた。②については、2020年度から引き続きFe-Ni不規則合金を用いた単層ST-FMRの測定と解析に取り組んだ。Al-O/Fe-Ni/Al-Oの対称な積層構造およびAl-O/Fe-Ni/Si-Oの非対称な積層構造を有する２種類の単一強磁性層の試料について、ST-FMRによりスピン変換を評価し、自己誘導的スピン軌道トルク（SOT）を評価するモデルを構築することで、自己誘導的SOTの大きさを定量的に見積もることに成功した。③については、第一原理計算を用いて様々な規則合金におけるスピン異常ホール伝導度を調べ、大きなスピン異常ホール効果を実現するための材料設計について検討した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
当初計画では、スピン変換効率の定量評価および機構解明、自己誘導的SOTの観測、および理論計算による材料探索を2021年度の研究項目として予定していた。現在までに、スピン変換効率の温度依存性についての知見や、様々な材料系におけるスピン変換効率の情報が多く集まってきており、スピン変換の機構解明に向けて着実に研究が進行している。また、自己誘導的SOTを観測し、その起源を理解するためのモデルを構築することで定量評価に成功している。さらに、第一原理計算による材料探索も進んでいることから、2021年度の研究実施内容は計画を概ね達成するものであり、研究は順調に進展しているものと考えられる。
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| 今後の研究の推進方策 |
「①強磁性金属内におけるスピン変換の全容の究明」に関しては、これまでに引き続き強FM1 / NM / FM2のGMR膜において、スピン変換の定量評価を行う。2021年度より運用を開始した高周波対応低温プローバーを用いて温度および磁場角度を変化させながらST-FMRスペクトルを測定し、スピン変換効率の温度依存性を引き続き詳細に調べる。また、これまで研究を進めてきたFePtなどの規則合金に限定せず、トポロジカル材料まで研究対象を拡張し、強磁性材料におけるスピン変換の統一的な理解に向けて研究を進める。具体的には、温度低下により常磁性から強磁性への相転移を示すCo3Sn2S2ワイル半金属を用いて、相転移により変換効率がどのように変化するかを明らかにする。また、相転移による変換効率を調べることにより、「③高いスピン変換効率を有する強磁性金属の創製」を実現するための重要な知見を得て、材料開発の指針を明確化する。
「②自己誘導的スピン軌道トルクの機構の理解とその制御」に関しては、単層ST-FMR実験をCo2MnGaやCo2MnSi、Co2MnAlなどの規則合金材料へと展開させることを視野に入れて、異常ホール効果に代表される電気伝導特性の組成依存性という基本特性の解明から取り組み、最終的には大きな自己誘導的SOTの実証を試みる。これらの実験と並行して、強磁性あるいは非磁性材料に対し元素置換を行うことでフェルミ準位をシフトさせスピン変換効率を増大させる試みや、界面挿入層の効果などを調べ、多方面からスピン変換効率を向上させるための方策を検討し、本研究の最終目標である「③高いスピン変換効率を有する強磁性金属の創製」を目指す。
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