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2021 年度 実施状況報告書

機械学習によるスピン軌道相互作用が絡む磁気・伝導・光物性を持つ人工多層薄膜の設計

研究課題

研究課題/領域番号 21K03444
研究機関三重大学

研究代表者

中村 浩次  三重大学, 工学研究科, 教授 (70281847)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
キーワード人工多層薄膜 / スピン軌道相互作用 / 第一原理計算 / 機械学習
研究実績の概要

1.全電子フルポテンシャル線形化補強平面波法(film-FLAPW法)のプログラム開発を行った。ここでは、磁気ダンピング定数やスピン軌道トルクを求める第一原理計算プログラムを第二変分法に基づき開発してきた。後者に関しては来年度も継続する。また、薄膜や界面の欠陥を取り扱うために欠陥の生成やマイグレーションを取り扱うことができるNudged Elastic Band(NEB)法や角度依存X線磁気円二色性(XMCD)の計算プログラムを開発した。
2.3d強磁性金属や5d重金属を含む人工多層薄膜に対して様々な積層配列を持つ人工多層薄膜の構造の構造最適化を行った。具体的には、MgO上のCoFe多層膜モデルに対して、MgO(001)上のFe2原子層積層が垂直磁気異方性を導く一つのキー構造であること、この積層によりフェルミエネルギー近傍でdxz,yz軌道の状態数が増加することがわかった。引き続き、同多層膜モデルに対して、磁気ダンピング定数の原子層配列依存性を調べた結果、MgO界面上の原子層配列制御により高垂直磁化と低磁気ダンピングを実現する薄膜設計が可能であることが示唆できた。
3.3d強磁性金属Coと5d重金属(Ta,W,Re,Os,Ir,Pt)の2層薄膜に対して、角度依存磁気抵抗効果(ADMR)、スピンホール伝導度(SHC)、異常ホール伝導度 (AHC)を系統的に調べた。ADMRでは、5d重金属種の依存性やPt薄膜の膜厚依存性を定性的に再現した。SHCでは、Co/5d重金属薄膜のSHCの符号が5d重金属のバルク値と同一傾向にあり、これは2層薄膜系においても価電子数によって整理できること、AHCにおいてもCo/W,Co/Ir,Co/Ptにおいて大きなAHCが得られるなど、5d重金属の原子種選択が重要であることわかった。

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

本研究目的を達成させるための第一原理計算手法プログラムの開発を予定通り進めている。特に、磁気ダンピング定数や角度依存XMCDを求めるための大容量・高速計算が可能となった。また、NEB法の導入により、表面や界面の欠陥の取り扱いが可能となった。材料設計に関しても、上記開発した計算プログラムにより様々な積層配列を仮定した構造のデータを収集することができた。積層配列に対する磁気的性質の理解においても、機械学習の支援により、系統的に整理することができた。以上のことから順調に進展している。

今後の研究の推進方策

前年度に引き続き、第一原理計算手法のプログラムを開発する。スピン軌道トルクを求める第一原理計算プログラムの開発を継続する。NEB法やXMCD法のプログラムにおいては計算の大容量化・高速化のための並列化を実施する。その他、酸化物等の強相関系材料も対象にしているが、補正(オンサイトクーロン相互作用補正+U等)が必要になってくるため、機械学習を利用して、パラメータUの導出方法について検討する。引き続き、3d強磁性金属と5d重金属を含む様々な人工多層膜の構造最適化を進め、スピン軌道相互作用が絡む磁気・伝導・光物性に関する物理的性質のデータを収集する。また、欠陥を含む構造(例えば、不純物を含むNV中心ダイヤモンド等)のデータも収集する。一方、第一原理計算には膨大な計算コストを要するため、機械学習を利用して、少数のデータで材料設計が可能なスモールデータ駆動型材料設計手法の開発にも取りかかる。

次年度使用額が生じた理由

理由:新型コロナ感染防止のため出張費を使用しなかったため。
使用計画:計算機消耗品を購入する。また国内会議・国際会議で研究成果を発表するための旅費に使用する。

  • 研究成果

    (21件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 6件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Crystal orientation dependence of spin Hall angle in epitaxial Pt/FeNi systems2022

    • 著者名/発表者名
      Ikebuchi Tetsuya、Shiota Yoichi、Ono Teruo、Nakamura Kohji、Moriyama Takahiro
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 120 ページ: 072406~072406

    • DOI

      10.1063/5.0078688

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electric-field effect on magnetic moments in Co ultra-thin films deposited on Pt2021

    • 著者名/発表者名
      Obinata A.、Koyama T.、Matsukura F.、Nakamura K.、Chiba D.
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 118 ページ: 152405~152405

    • DOI

      10.1063/5.0049052

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Atomic-layer stacking dependence of the magnetocrystalline anisotropy in Fe-Co multilayer thin films at MgO(001) interface2021

    • 著者名/発表者名
      Nakamura K.、Nozaki K.、Hayashi K.、Pradipto A.-M.、Weinert M.、Oguchi T.
    • 雑誌名

      Journal of Magnetism and Magnetic Materials

      巻: 537 ページ: 168175~168175

    • DOI

      10.1016/j.jmmm.2021.168175

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Optical and magneto-optical properties of FexAgx superlattices: first-principles study2021

    • 著者名/発表者名
      Arifin M.、Nakamura K.
    • 雑誌名

      Journal of Physics: Conference Series 1951, 012046, 2021

      巻: 1951 ページ: 012046/1~7

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Dzyaloshinskii?Moriya interaction in noncentrosymmetric superlattices2021

    • 著者名/発表者名
      Ham Woo Seung、Pradipto Abdul-Muizz、Yakushiji Kay、Kim Kwangsu、Rhim Sonny H.、Nakamura Kohji、Shiota Yoichi、Kim Sanghoon、Ono Teruo
    • 雑誌名

      npj Computational Materials

      巻: 7 ページ: 129/1~7

    • DOI

      10.1038/s41524-021-00592-8

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Optical and magneto-optical anisotropies of FeCu superlattice: band-by-band decomposition analysis2021

    • 著者名/発表者名
      Arifin Muhammad、Nawa Kenji、Nakamura Kohji
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 60 ページ: 092006~092006

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac1c8f

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Density Functional Theory Approach for Muon Sites Estimation in Mn<sub>3</sub>Sn2021

    • 著者名/発表者名
      Murdaka Fiqhri Heda、Suprayoga Edi、Pradipto Abdul Muizz、Nakamura Kohji、Nugroho Agustinus Agung
    • 雑誌名

      Materials Science Forum

      巻: 1028 ページ: 199~203

    • DOI

      10.4028/www.scientific.net/MSF.1028.199

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Slater-Pauling-like Behavior of Spin Hall Conductivity in Pt-based Superlattices2021

    • 著者名/発表者名
      Pradipto Abdul-Muizz、Nakamura Kohji
    • 雑誌名

      Journal of Mathematical and Fundamental Sciences

      巻: 53 ページ: 369~379

    • DOI

      10.5614/j.math.fund.sci.2021.53.3.3

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 角度依存X線磁気円二色性の第一原理計算による3d-5d遷移金属合金の電子構造解析2022

    • 著者名/発表者名
      牛田真由美, 名和憲嗣, 中村浩次
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
  • [学会発表] 磁性多層膜磁性の機械学習:データ拡張法による学習効率の向上と磁気特性予測2022

    • 著者名/発表者名
      名和憲嗣, 萩原克幸, 中村浩次
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
  • [学会発表] エピタキシャルPt薄膜におけるスピンホール効果の結晶配向依存性2022

    • 著者名/発表者名
      池渕徹也, 塩田陽一, 小野輝男, 中村浩次, 森山貴広
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
  • [学会発表] Efficient machine learning for ferromagnetic multilayers by Gaussian data-augmentation method2022

    • 著者名/発表者名
      K. Nawa, K. Hagiwara, K. Nakamura
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Machine learning for effective on-site Coulomb interaction parameters in transition metal oxides in DFT+U method2021

    • 著者名/発表者名
      T. Matsumoto, K. Nawa, K. Nakamura
    • 学会等名
      Asian Physics Symposium 2021
    • 国際学会
  • [学会発表] Tuning the Dzyaloshinskii-Moriya Interaction in Fe/MgO-based Thin Films2021

    • 著者名/発表者名
      A. -M. Pradipto1, K. Nakamura
    • 学会等名
      Asian Physics Symposium 2021
    • 国際学会
  • [学会発表] 強相関系誘電特性の第一原理計算と機械学習2021

    • 著者名/発表者名
      松本崇宏, 名和憲嗣, 中村浩次
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] MgO上のCo1-xFex多層膜におけるダンピング定数の原子配列依存2021

    • 著者名/発表者名
      服部壮汰, 名和憲嗣, 中村浩次
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 2層薄膜Co/5d重金属におけるスピン・異常ホール伝導度:5dバンドフィリングの解析2021

    • 著者名/発表者名
      福谷真奈, 名和憲嗣, 中村浩次
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] NV中心ダイヤモンドにおける電子配置とNV構造の関係2021

    • 著者名/発表者名
      松下和寛, 名和憲嗣, 佐野和博, 中村浩次
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] First-principles study of structural and electronic properties of graphene/MoS2 heterostructure2021

    • 著者名/発表者名
      D. P. Hastuti1, K. Nawa, K. Nakamura
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Magnon transport in NiO based on first-principles calculations2021

    • 著者名/発表者名
      A. Gumarilang, K. Nawa, K. Nakamura
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] スピン軌道相互作用が絡む磁性多層薄膜の第一原理計算と物質設計2021

    • 著者名/発表者名
      中村浩次, 名和憲嗣
    • 学会等名
      7.電気情報通信学会 磁気記録・情報ストレージ研究会(MRIS)
    • 招待講演

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公開日: 2022-12-28  

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