| 研究課題/領域番号 |
20K14419
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| 研究機関 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 |
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研究代表者 |
杉本 聡志 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, 研究員 (90812610)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | スピントロニクス / 磁気スカーミオン / 磁気イメージング / ホイスラー合金 / トポロジカル効果 |
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| 研究実績の概要 |
初年度では、次年度以降に採用されるの基礎技術の確立を目指し、スカーミオン安定化・評価材料の探索と、実験手法の検証を中心に活動を進めた。
先ず安定化材料の拡張として、非晶質フェリ磁性体薄膜であるGdFeCoにおけるスカーミオンの室温安定化に成功した。GdFeCo薄膜は、補償点近傍において電気的制御に頼らない全光スイッチ（all-optical switch）を示す材料であり、スカーミオン物性における光学効果の研究媒体として、今後の活用が期待される。
続いて、薄膜スカーミオンのゲート変調を行った。Co/Pt超薄膜ヘテロ構造に対し、透明電極ITOを用いた三端子構造を作製することで、磁気光学Kerr効果により電圧印加下のスカーミオン構造変化を直接観測した。これにより、電圧によるスカーミオン構造の消滅、準安定条件化での生成プロセス、スカーミオン相の安定化条件の拡張を確認した。
一方で、上述した材料系では、スカーミオン構造を評価するために主に磁気イメージングが要求されるため、実験条件の制約と技術的な煩雑さが問題となっていた。これを解決するため、スカーミオンに由来するトポロジカル効果である、トポロジカルホール信号を電気検波できる材料系の探索も開始した。候補物質として、先ずMn系逆ホイスラー合金に着目した。この材料系は、高いスピン偏極率、室温を超えるキュリー点といったスピントロニクス材料に適した特性に加え、構造自体をスパッタ法により比較的容易に作成可能な利点がある。これまでにMn2CoAl、及びMn2PtSn規則合金の薄膜化に成功した。特に、Mn2PtSnにおいては、フェリ磁性相-強磁性相の転移点以下の温度領域において、アンチスカーミオン由来と思われる高いトポロジカル信号の検波に成功した。
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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
本研究課題はスカーミオンの非線形応答を検波する必要があるため、こちらの検波に適した材料探索、実験手法の確立は、今後の課題遂行について不可欠である。その観点では、初年度で達成した1．スカーミオン安定化材料の拡張、２．ゲート変調素子の作成、及び３．トポロジカル信号検波用の材料探索は、そのまま非線形効果の検証に用いられるため、次年度以降の研究の主幹技術となる。
これらの研究実績は、口頭発表を含む二つの学会発表が行われ、関連論文を含め、今年度で計5件の論文発表（査読あり）に繋がった。特に、Mn系逆ホイスラー合金薄膜のトポロジカル信号に関する研究は関連分野でも注目の高いトピックであり、別途、論文投稿を進めている。
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| 今後の研究の推進方策 |
研究方針として、１．ゲート変調技術を用いたスカーミオン仮想トランジスタの作製、及び２．非線形スキルミオン効果の電気検波、を検討している。
１．については、昨年度の三端子素子を拡張させ、スカーミオンの生成・消滅に加え、電気輸送過程の電圧変調を行うことで、スカーミオン本体を仮想的なキャリアに見立てた、トランジスタ素子のデモンストレーションを目指す。
２．については、高密度・交流電流印加やゲート電圧下でのトポロジカル信号の評価を通じて、輸送特性に現れる非線形現象の研究を進める。
加えて、材料研究を進めることで、より高温での安定化、トポロジカル信号の増強を目指し、将来的なデバイス適合性の向上を進める。
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