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2020 年度 実績報告書

ワイル半金属を用いた電流誘起スピン軌道トルクの解明とそのデバイス応用

研究課題

研究課題/領域番号 20H02174
研究機関北海道大学

研究代表者

植村 哲也  北海道大学, 情報科学研究院, 教授 (20344476)

研究分担者 近藤 憲治  北海道大学, 電子科学研究所, 准教授 (50360946)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
キーワードワイル半金属 / スピン軌道相互作用 / スピン軌道トルク / ハーフメタル強磁性体 / 強磁性トンネル接合
研究実績の概要

本研究の目的は,磁性ワイル半金属材料において発現する強いスピン軌道相互作用を利用した強磁性体磁化制御の学理を確立し,高速性・低消費電力性に優れたスピントロニクスデバイスを実現することである.そのため,ワイル半金属であることが理論的に指摘されているホイスラー合金(以下,ワイル型ホイスラー合金とよぶ)をスピン源としたスピン軌道トルク(SOT)の特性を理論および実験により明らかにするとともに,これを利用した強磁性体磁化制御を確立する.
2020年度は主に,ワイル型ホイスラー合金の探索とその異常ホール効果を活用した強磁性体の磁化制御に取り組んだ.具体的には,フェルミ準位近傍にワイル点があることが理論的に示され,また実験的にも大きな異常ホール効果が観測されているCo2MnAlやCo2MnGaのホイスラー合金薄膜に着目し,それらの結晶構造解析,及び異常ホール効果や縦磁気抵抗効果などの磁気輸送特性評価を通じて,薄膜の成膜条件を最適化した.さらにこれらをスピン源として,MnGa/Co2MnSi強磁性体二層膜のSOT磁化反転を実証した.
また,磁性ワイル半金属の磁気伝導率を理論的に検討した.有効モデルとして,Type-IとType-IIの両方のタイプを表現できる有効ハミルトニアンを使用し,このモデルの磁気伝導率をBerry曲率が考慮された古典ボルツマン方程式によって計算したところ,Type-Iのワイル半金属では従来から知られた,カイラルアノマリによる負の磁気抵抗効果が得られたが,Type-IIのワイル半金属では,カイラルアノマリによる負の磁気抵抗効果のみならず,正の磁気抵抗効果がカイラルアノマリによっておこることが分かった.これは,Type-IIでは磁場印可によって形成されるランダウ準位の曲率が変わらず,Type-Iではランダウ準位の曲率が反転することが原因であることを見出した.

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

磁性ワイル半金属材料として指摘されているCo2MnGaによるSOT磁化反転を実証しており,当該年度の目標をおおむね達成している.

今後の研究の推進方策

引き続き,ワイル半金属材料の探索とそれを用いたSOT磁化反転についての研究を推進するとともに,それを活用した3端子型強磁性トンネル接合(MTJ)素子の開発をめざす.具体的には以下の項目を実施する.
(1)ホイスラー合金をベースとした磁性ワイル半金属の探索
[ワイル型ホイスラー合金/spacer/強磁性体]からなる積層構造を作製し,ワイル型ホイスラー合金の異常ホール効果により生成されたスピン流を,spacer層を介して強磁性体に注入することで強磁性体の磁化反転を試み,その効率を評価する.ワイル半金属材料としては昨年度から取り組んでいるCo2MnAlやCo2MnGaを第一の候補とし,現在,SOT磁化反転で代表的に用いられているTaやPtのスピンホール角と同等以上のスピンホール角の実現をめざす.これらの材料において所望の特性が得られなかった場合,薄膜の組成制御やドーピングなどによりフェルミ準位をシフトさせることや,ワイル点の形成が理論的に予測されているCo2TiSiなどの他のホイスラー合金へ探索対象を広げる.
(2)SOT磁化反転を活用した3端子型MTJの開発
上記(1)の[ワイル半金属/spacer/強磁性体]を磁化自由層に組み込んだ3端子型MTJの実現を目指す.強磁性体には同じホイスラー合金の一種で高いスピン偏極率が期待されるCo2MnSiやCo2Mn(Fe,Si),Co2Fe(Ga,Ge)を候補とし,トンネル障壁部にはMgO層を用いる.これらの材料は高い磁気抵抗比を有するMTJの電極材料としての有効性が実証されている.スピントルクを受けた強磁性体の磁化状態はMTJのトンネル磁気抵抗変化により検出する.

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 1件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 4件)

  • [雑誌論文] Spin-orbit torque induced magnetization switching for an ultrathin MnGa/Co2MnSi bilayer2021

    • 著者名/発表者名
      Jono Kohey、Shimohashi Fumiaki、Yamanouchi Michihiko、Uemura Tetsuya
    • 雑誌名

      AIP Advances

      巻: 11 ページ: 025205~025205

    • DOI

      10.1063/5.0032732

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A comparison of magnetoconductivities between type-I and type-II Weyl semimetals2021

    • 著者名/発表者名
      Morishima K.、Kondo K.
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 129 ページ: 125104~125104

    • DOI

      10.1063/5.0039554

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Off-stoichiometry effect on magnetic damping in thin films of Heusler alloy Co2MnSi2020

    • 著者名/発表者名
      Li Ting、Yan Wei、Zhang Xinhui、Hu Bing、Moges Kidist、Uemura Tetsuya、Yamamoto Masafumi、Tsujikawa Masahito、Shirai Masafumi、Miura Yoshio
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 101 ページ: 174410~174410

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.101.174410

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] A proposal of strong and weak phases in second-order topological insulators2020

    • 著者名/発表者名
      Komori Shiryu、Kondo Kenji
    • 雑誌名

      Journal of Physics Communications

      巻: 4 ページ: 125005~125005

    • DOI

      10.1088/2399-6528/abd0d4

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Spin-orbit torque in MnGa/Co2MnSi synthetic antiferromagnetic bilayers2021

    • 著者名/発表者名
      K. Jono, T. Hara, F. Shimohashi, M. Yamanouchi and T. Uemura
    • 学会等名
      The 4th International Symposium for The Core Research Cluster for Spintronics
    • 国際学会
  • [学会発表] MnGa/Co2MnSi bilayer for spin-orbit torque magnetization switching2020

    • 著者名/発表者名
      M. Yamanouchi, K. Jono, F. Shimohashi, and T. Uemura
    • 学会等名
      65th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials
    • 国際学会
  • [学会発表] Enhancement of magnetoresistance characteristics of Ge-rich Co2Fe(Ga,Ge)-based current-perpendicular-to-plane giant magnetoresistance devices2020

    • 著者名/発表者名
      K. Nakada, Y. Chikaso, T. Tanimoto, M. Inoue, K. Inubushi, and T. Uemura
    • 学会等名
      65th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials
    • 国際学会
  • [学会発表] Spin-orbit-torque induced magnetization switching for an ultra-thin MnGa/Co2MnSi bilayer2020

    • 著者名/発表者名
      K. Jono, F. Shimohashi, M. Yamanouchi, and T. Uemura
    • 学会等名
      2020 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2020)
    • 国際学会
  • [学会発表] Spin-orbit-torque induced magnetization switching for an ultra-thin MnGa/Co2MnSi bilayer2020

    • 著者名/発表者名
      Kohey Jono, Fumiaki Shimohashi, Michihiko Yamanouchi, and Tetsuya Uemura
    • 学会等名
      第81回応用物理学会秋季学術講演会

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公開日: 2021-12-27  

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