キラル結晶薄膜合成とキラルスピントロニクス開拓

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22K18965
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 金澤 直也 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (10734593)
• 研究期間 (年度): 2022-06-30 – 2024-03-31
• キーワード: キラル結晶薄膜 / FeSi / スピントロニクス / スピン軌道トルク / スキルミオン / リザバーコンピューティング / 非線形ホール効果

研究実績の概要

キラル物質におけるスピントロニクス機能の開拓を行ってきた。特に、キラルな立方晶を有するFeSiの薄膜について多彩なスピン軌道結合物性とスピントロニクス機能応用への可能性を示すことができた。FeSiは非磁性絶縁体として知られていたが、バルクバンドのトポロジーの要請から、その表面には強磁性金属状態が発現する。本研究では、このユニークな表面状態に対して様々な異種物質を接合することによって、FeSi表面の電子状態・スピン状態を大きく変調・制御することに成功した。例えば、FeSi表面との軌道混成を極力抑制できるフッ化物絶縁体を接合することによって、室温強磁性状態を創出した。さらに界面の対称性の破れに由来した反対称的スピン軌道相互作用を利用することによって、スピン軌道トルクを介した電流誘起磁化反転現象を室温かつゼロ磁場の条件で実現することができた。従来のスピントロニクス素子においては強スピン軌道トルク効果を実現するために、原子番号の大きな重元素固有の強スピン軌道相互作用を活用していた。そのため希少または毒性の強い重元素原料を多量に含んでいる必要があった。ありふれた元素のみで構成されたFeSiにおいて、このようなMRAMといった次世代磁気情報素子の要素技術を再現できたことは、持続可能なスピントロニクス基盤の構築に大きく貢献できる可能性がある。
フッ化物接合以外にも、少量のPt層を接合させることによって、FeSi表面強磁性状態に磁気粒子スキルミオンを作り出すことができた。これらのスキルミオンの集合体は、従来よりも電流印加に対して堅牢な性質を有し、強い非線形応答を発生してくれることがわかった。特に7次にものぼる新しい高次非線形ホール効果が確認でき、リザバーコンピューティングといった応用に期待できる。
その他にも、スキルミオンやトポロジカル超伝導、創発インダクタに関する成果を挙げた。

研究成果

• [雑誌論文] Topological stability of spin textures in Si/Co-doped helimagnet FeGe (2024)
  • 著者名/発表者名: Guang Yao、Fujishiro Yukako、Tanaka Aito、Peng Licong、Kaneko Yoshio、Kanazawa Naoya、Tokura Yoshinori、Yu Xiuzhen
  • 雑誌名: Journal of Physics: Materials 巻: 7 ページ: 025009～025009
  • DOI: 10.1088/2515-7639/ad2ec4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Molecular beam epitaxy of superconducting FeSexTe1-x thin films interfaced with magnetic topological insulators (2024)
  • 著者名/発表者名: Sato Yuki、Nagahama Soma、Belopolski Ilya、Yoshimi Ryutaro、Kawamura Minoru、Tsukazaki Atsushi、Kanazawa Naoya、Takahashi Kei S.、Kawasaki Masashi、Tokura Yoshinori
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 8 ページ: L041801
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.8.L041801
  • 査読あり
• [雑誌論文] Strongly pinned skyrmionic bubbles and higher-order nonlinear Hall resistances at the interface of Pt/FeSi bilayer (2024)
  • 著者名/発表者名: Hori T.、Kanazawa N.、Matsuura K.、Ishizuka H.、Fujiwara K.、Tsukazaki A.、Ichikawa M.、Kawasaki M.、Kagawa F.、Hirayama M.、Tokura Y.
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 8 ページ: 044407
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.8.044407
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct observations of spin fluctuations in hedgehog-anti-hedgehog spin lattice states in MnSi1-xGex (x = 0.6 and 0.8) at zero magnetic field (2023)
  • 著者名/発表者名: Aji Seno、Oda Tatsuro、Fujishiro Yukako、Kanazawa Naoya、Saito Hiraku、Endo Hitoshi、Hino Masahiro、Itoh Shinichi、Arima Taka-hisa、Tokura Yoshinori、Nakajima Taro
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 108 ページ: 054445
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.108.054445
  • 査読あり
• [学会発表] キラル結晶におけるトポロジカルスピン構造形成と創発電磁物性の研究 (2024)
  • 著者名/発表者名: 金澤 直也
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
  • 招待講演
• [学会発表] FeSexTe1-x thin films as a platform for exploring exotic superconducting states (2024)
  • 著者名/発表者名: Yuki Sato, Soma Nagahama, Ilya Belopolski, Ryutaro Yoshimi, Minoru Kawamura, Atsushi Tsukazaki, Naoya Kanazawa, Akiyoshi Yamada, Masashi Tokunaga, Kei S Takahashi, Masashi Kawasaki, Yoshinori Tokura
  • 学会等名: APS March Meeting 2024
  • 国際学会
• [学会発表] A Noble-Metal-Free Spintronic System with Ferromagnetic Topological Surface State of FeSi above Room Temperature (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Hori, N. Kanazawa, M. Hirayama, K. Fujiwara, A. Tsukazaki, M. Ichikawa, M. Kawasaki, and Y. Tokura
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] MBE成長させたFe(Se,Te)薄膜における電子相図 (2023)
  • 著者名/発表者名: 永濱壮真, 佐藤雄貴, Ilya Belopolski, 吉見龍太郎, 川村稔, 塚﨑敦, 金澤直也, 高橋圭, 川崎雅司, 十倉好紀
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] MBE成長させたFe(Se,Te)薄膜の上部臨界磁場測定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 佐藤雄貴, 永濱壮真, Ilya Belopolski, 吉見龍太郎, 川村稔, 塚﨑敦, 山田暉馨, 徳永将史, 金澤直也, 高橋圭, 川崎雅司, 十倉好紀
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] 偏極中性子反射率測定による新規トポロジカル強磁性表面の直接観測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 金澤直也
  • 学会等名: 東京大学物性研究所共同利用成果発表会
  • 招待講演
• [備考] researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/n_kanazawa
• [備考] 金澤研究室ホームページ
  • URL: https://sites.google.com/view/kanazawa-lab