交差相関材料における分極反転メカニズム

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22H01757
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 白土 優 大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (70379121)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: 磁性材料 / スピントロニクス / 交差相関 / 反強磁性 / 薄膜

研究実績の概要

磁性材料には磁石になる強磁性材料のほか、磁石にはならないが超高速動作や超高集積が可能とされる反強磁性材料と呼ばれる材料がある。反強磁性材料は、強磁性材料のようにN‐S極が現れないため、従来は制御不可能な材料とされてきた。本研究課題では、交差相関と呼ばれる電界と磁性の相互作用を利用することで、反強磁性材料を制御可能な材料として発展させ、また、その磁性を超低消費電力かつ超高速駆動の原理実証を目指すとともに、そのメカニズムの解明を目的としている。この手法は、従来手法である電流を用いる方法（動作時の消費電力が大きい）に対して、電流を必要としないため原理上飛躍的な低消費電力が可能になることが期待できる。２０２２年度は、交差相関材料の一つであるＣｒ２Ｏ３薄膜に対して、薄膜の膜厚を結晶性を保ったまま１５ナノメーター以下まで低膜厚化させることで、界面の磁化（N‐S極の向き）を制御できること、ならびに、電界によってその制御効率を増強できることを明らかにした。その原理が交差相関性によって定量的にも説明できることも明らかにしている。さらに、放射光を用いた独自計測技術を駆使することで、反強磁性材料の磁化（N‐S極の向き）の向きを直接的に可視化し、その反転過程を明らかにすることにも着手している。これらの成果は、国内の春秋講演大会、国際会議でも報告しており、２０２３年度に開催予定の国際会議での招待講演も決定している。

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

Ｃｒ２Ｏ３薄膜の膜厚を低下させることで、界面の効果を積極的に利用した新規な手法での反強磁性磁化の反転手法を確立させた。また、反強磁性磁化の反転に必要となる外場（磁場）を交差相関による反強磁性磁化（スピン）の制御を達成しており、現時点での試算では、従来手法と比較して1/100以下の低消費電力駆動が可能になっており、研究目標の達成に向けて、着実に成果を上げている。また、反転メカニズムの界面に極めて有効となる、分極状態の可視化にも着手し、放射光を利用することでプレリミナルな成果として、この手法による分極状態の可視化、反転状態の可視化が可能であるとの知見も得ている。これらの成果は、各種講演大会（国内、海外、ともに招待講演あり）で報告するとともに、学術論文への投稿も着実に進めている。現在は、これらの成果をもとに、さらなる低エネルギー駆動が可能な素子構造の開発、高速駆動に向けた計測技術と材料設計を進めている段階にある。

今後の研究の推進方策

２０２２年度の成果として、交差相関材料であるＣｒ２Ｏ３薄膜を用いて、界面効果による磁場応答機能、ならびに、その反転効率の電界による制御を実現している。２０２３年度は、これらの成果を基盤として、さらなる低エネルギー駆動が可能になる素子構造の設計（界面構造の最適化など）、高速制御に向けた素子構造と検出技術の開発を進めている。これらのついては、当初計画が順調に進んでいることから研究計画に変更はない。
一方、上記の成果を上げる過程で同時に、格子制御による動作温度上昇の可能性についても、第一段階の成果を得た。これらをもとに、指導原理を見出しつつあることから（論文あり）、２０２３年度以降は、動作温度情報に向けた試みも同時に進める予定である。
得られる成果の情報発信として、国内外の講演大会、学術論文のほか、社会的インパクトを勘案したアウトリーチ活動も進めていきたい。

研究成果

• [雑誌論文] Gate-induced switching of perpendicular exchange bias with very low coercivity in Pt/Co/Ir/Cr2O3/Pt epitaxial film (2023)
  • 著者名/発表者名: Ekawa Hirofumi, Shen Jiaqi, Toyoki Kentaro, Nakatani Ryoichi, Shiratsuchi Yu
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 122 ページ: 062404～062404
  • DOI: 10.1063/5.0131695
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anomalous Hall effect in Pt/Al-doped Cr2O3 epitaxial film (2023)
  • 著者名/発表者名: Iino Ion, Tada Tatsuo, Toyoki Kentaro, Nakatani Ryoichi, Shiratsuchi Yu
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 13 ページ: 015035～015035
  • DOI: 10.1063/9.0000382
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Frequency dependence of coercivity in nickel and Co-Fe-B thin film for DC to 100 kHz region (2022)
  • 著者名/発表者名: Toyoki Kentaro、Matsui Shunya、Shiratsuchi Yu、Endo Yasushi、Nakatani Ryoichi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 62 ページ: SB1008～SB1008
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac918a
  • 査読あり
• [雑誌論文] Peculiar temperature dependence of magneto-optic Kerr rotation associated with antiferromagnetic-paramagnetic transition (2022)
  • 著者名/発表者名: Ekawa Hirofumi, Okano Takashi, Huang Oujin, Iino Ion, Toyoki Kentaro, Nakatani Ryoichi, Kato Takeshi, Shiratsuchi Yu
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 62 ページ: SB1002～SB1002
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac8b8e
  • 査読あり
• [雑誌論文] Increase of Neel temperature of magnetoelectric Cr2O3 thin film by epitaxial lattice matching (2022)
  • 著者名/発表者名: Wang Xinrui, Ujimoto Kakeru, Toyoki Kentaro, Nakatani Ryoichi, Shiratsuchi Yu
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 121 ページ: 182402～182402
  • DOI: 10.1063/5.0116968
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis of superparamagnetic Co-Pt nanoparticle in Pyrococcus furiosus virus-like particle crystal (2022)
  • 著者名/発表者名: Taniguchi Makoto, Higashiura Akifumi, Kobayashi Naoto, Kanda Daisuke, Tagata Kakeru, Fukunishi Ryota, Yoshikawa Yasunori, Kuromatsu Emi, Kishida Noriaki, Kotani Yoshinori, Toyoki Kentaro, Nakamura Tetsuya, Nakatani Ryoichi, Nakagawa Atsushi, Shiratsuchi Yu
  • 雑誌名: Journal of Physics and Chemistry of Solids 巻: 169 ページ: 110840～110840
  • DOI: 10.1016/j.jpcs.2022.110840
  • 査読あり
• [雑誌論文] 電気磁気反強磁性体材料の電圧駆動磁壁ダイナミクス (2022)
  • 著者名/発表者名: 白土 優，豊木研太郎，中谷亮一
  • 雑誌名: 日本磁気学会会報「まぐね」 巻: 17 ページ: 241～248
  • 査読あり
• [雑誌論文] 磁気抵抗効果測定によるC11b Cr-Al薄膜の磁気構造の検討 (2022)
  • 著者名/発表者名: 井口 颯太，藤原 壮甫，豊木 研太郎，白土 優，中谷 亮一
  • 雑誌名: 信学技報（IEICE Technical Report） 巻: MRIS2022-6 ページ: 1～4
• [学会発表] Detection of magnetic moment in nonmagnetic heavy metal/pure antiferromagnetic interface (2023)
  • 著者名/発表者名: Yu Shiratsuchi
  • 学会等名: International Conference on Processing & Manufacturing of Advanced materials, Processing, Fabrication, Properties, Applications (Thermec’ 2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electric field control of interfacial antiferromagnetic moment in Pt/Cr2O3/Pt epitaxial trilayer (2023)
  • 著者名/発表者名: Kakeru Ujimoto, Hiroki Sameshima, Hiroki Sakurai, Kentaro Toyoki, Ryoichi Nakatani, and Yu Shiratsuchi
  • 学会等名: Intermag 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Finite size effect and dimensional crossover in antiferromagnetic epitaxial Cr2O3 thin films (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Sameshima, Kakeru Ujimoto, Rou Tsutsumi, Kentaro Toyoki, Ryoichi Nakatani and Yu Shiratsuchi
  • 学会等名: Intermag 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Growth and magnetoelectric effect of epitaxial Co3Mn films on piezoelectric Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(001) (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuichi Murakami, Takamasa Usami, Yu Shiratsuchi, Yuma Sanada, Shinya Yamada, Ryoichi Nakatani and Kohei Hamaya
  • 学会等名: Intermag 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Investigation on magnetic ordering of antiferromagnetic thin films by means of magnetoresistance effect measurement (2023)
  • 著者名/発表者名: Sota Iguchi, Sosuke Fujiwara, Kentaro Toyoki, Yu Shiratsuchi, and Ryoichi Nakatani
  • 学会等名: Intermag 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Chemical order, unit cell volume, and spontaneous magnetization in vapor-quenched single crystalline Fe0.6Al0.4 alloy thin film (2023)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Toyoki, Daigo Kitaguchi, Yu Shiratsuchi, and Ryoichi Nakatani
  • 学会等名: Intermag 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Magnetic interaction in superparamagnetic Co-Pt nanoparticles synthesized in Pyrococcus furiosus virus-like particle cryatal (2023)
  • 著者名/発表者名: Kakeru Tagata, Daisuke Kanda, Naoto Kobayashi, Akifumi Higashiura, Satoshi Ichikawa, Noriaki Kishida, Ryoichi Nakatani, Atsushi Nakagawa, and Yu Shiratsuchi
  • 学会等名: Intermag 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Pt/Cr2O3/Ptエピタキシャル薄膜における界面反強磁性スピン反転の直接観察 (2023)
  • 著者名/発表者名: 氏本 翔, 鮫島寛生，豊木研太郎, 小谷佳範，中谷亮一, 白土 優
  • 学会等名: 応用物理学会第70回春期講演大会
• [学会発表] Pt/Al添加Cr2O3エピタキシャル薄膜における異常ホール効果 (2023)
  • 著者名/発表者名: 飯野伊音，多田龍生，豊木研太郎，中谷亮一，白土 優
  • 学会等名: 応用物理学会第70回春期講演大会
• [学会発表] Converse magnetoelecric effect in bcc Co3Mn/PMN-PT(001) multiferroic heterostructures (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuichi Murakami, Takamasa Usami, Yu Shiratsuchi, Yuya Sanada, Shinya Yamada, Ryoichi Nakatani, and Kohei Hamaya
  • 学会等名: 応用物理学会第70回春期講演大会
• [学会発表] 交差相関に基づく界面磁気機能材料の創製に関する研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 白土 優
  • 学会等名: 日本金属学会2023年春期講演大会
  • 招待講演
• [学会発表] 低保磁力Pt/Co/Ir/Cr2O3/Pt薄膜における垂直交換バイアスの電圧反転 (2023)
  • 著者名/発表者名: 江川浩史，沈 佳琦，豊木研太郎，中谷亮一，白土 優
  • 学会等名: 日本金属学会2023年春期講演大会
• [学会発表] 低規則度B2 Fe0.6Al0.4合金薄膜の自発磁化と高磁場帯磁率の温度依存性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 豊木研太郎，北口大悟，小谷佳範，白土 優，中谷亮一
  • 学会等名: 日本金属学会2023年春期講演大会
• [学会発表] Pt/Cr2O3/Pt3層膜における電界誘起界面スピン反転磁場のCr2O3膜厚依存性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 鮫島 寛生，氏本 翔，豊木 研太郎，中谷 亮一，白土 優
  • 学会等名: 日本金属学会2023年春期講演大会
• [学会発表] 電気磁気効果による界面反強磁性スピン制御と磁壁ダイナミクス (2023)
  • 著者名/発表者名: 白土 優
  • 学会等名: 日本磁気学会スピントロニクス専門研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Anomalous Hall effect in Pt/(Al0.04Cr0.96)2O3 epitaxial bilayer (2022)
  • 著者名/発表者名: Ion Iino, Hiroki Sakurai, Tatsuo Tada, Kentaro Toyoki, Ryoichi Nakatani and Yu Shiratsuchi
  • 学会等名: The 67th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Giant converse magnetoelectric effect in Co2-Heusler/Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 multiferroic heterostructure (2022)
  • 著者名/発表者名: Takamasa Usami, Shumpei Fujii, Yu Shiratsuchi, Amran Mahfudh Yatmeiddhy, Jun Oabayashi, Shinya Yamada, Takeshi Kanashima, Ryoichi Nakatani, Yoshihiro Gohda and Kohei Hamaya
  • 学会等名: 2022 Fall meeting, Materials Research Society (MRS)
  • 国際学会
• [学会発表] Perpendicularly magnetized [Co/Pd]n/Co2FeAl0.5Si0.5/Fe multilayers on Ge for semiconductor spintronic applications (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Nishimura, M. Yamada, Y. Shiratsuchi, R. Nakatani and K. Hamaya
  • 学会等名: The 22nd International Vacuum Congress (IVC-22)
  • 国際学会
• [学会発表] AHE-based detection of interfacial antiferromagnetic moment in Pt/Cr2O3 (2022)
  • 著者名/発表者名: Kakeru Ujimoto, Xinrui Wang, Ion Iino, Rou Tsutsumi, Kentaro Toyoki, Yoshinori Kotani, and Ryoichi Nakatani, Yu Shiratsuchi
  • 学会等名: 24th Intrenational Colloquium on Magnetic Films and Surfaces (ICMFS-2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Converse magnetoelectric effect in perpendicularly magnetized [Co/Pd]5/Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 Heterostructure (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuma Sanada, Takamasa Usami, Shinya Yamada, Takeshi Kanashima, Yu Shiratsuchi, Ryoichi Nakatani and Kohei Hamaya
  • 学会等名: 24th Intrenational Colloquium on Magnetic Films and Surfaces (ICMFS-2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Electric-field modulation of magnetic anisotropy in Co-based Heusler alloy thin film on PMN-PT(011) (2022)
  • 著者名/発表者名: Takamasa Usami, Shinpei Fujii, A. M. Yatmeidhy, Yoshihiko Gohda, Jun Okabayashi, Shinya Yamada, Takeshi Kanashima, Yu Shiratsuchi, Rryoichi Nakatani and Kohei Hamaya
  • 学会等名: 24th Intrenational Colloquium on Magnetic Films and Surfaces (ICMFS-2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Detection of interfacial antiferromagnetic moment by anomalous Hall effect (2022)
  • 著者名/発表者名: Kakeru Ujimoto, Xinrui Wang, Kentaro Toyoki, Yoshinori Kotani, Ryoichi Nakatani and Yu Shiratsuchi
  • 学会等名: 2022 International Symposium for Advanced Materials Research (ISAMR)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Peculiar temperature dependence of magneto-optic Kerr rotation in Pt/Co/Spacer (Ir, Pt)/Cr2O3/Pt thin film (2022)
  • 著者名/発表者名: Yu Shiratsuchi, Takashi Okano, Hirofumi Ekawa, Hiroki Sakurai, Kentaro Toyoki, Takeshi Kato, and Ryoichi Nakatani
  • 学会等名: Magnetics and Optics Research International Symposium (MORIS) 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Frequency dependences of coercivity in Nickel and Co-Fe-B thin film for DC to 100 kHz region (2022)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Toyoki, Shunya Matsui, Yu Shiratsuchi, Yasushi Endo, and Ryoichi Nakatani
  • 学会等名: Magnetics and Optics Research International Symposium (MORIS) 2022
  • 国際学会
• [学会発表] 界面反強磁性スピン反転の電界制御 (2022)
  • 著者名/発表者名: 氏本 翔，鮫島寛生，豊木研太郎，中谷亮一，白土 優
  • 学会等名: 日本金属学会2022年秋期講演大会
• [学会発表] C11b Cr-Al薄膜における磁気抵抗効果の電流・磁場方位依存性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 井口 颯太，藤原 壮甫，豊木 研太郎，白土 優，中谷亮一
  • 学会等名: 日本金属学会2022年秋期講演大会
• [学会発表] Operando XMCD and EXAFS spectroscopies for orbital control by reversible strain at Co2FeSi/PMN-PT interface (2022)
  • 著者名/発表者名: Jun Okabayashi, Takamasa Usami, Yu Shiartsuchi, Ryoichi Nakatani, and Kohei Hamaya
  • 学会等名: 応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Pt/Cr2O3/Pt 3層膜における界面スピン反転磁場の電界変調 (2022)
  • 著者名/発表者名: 氏本 翔, 王 心瑞，豊木 研太郎, 中谷 亮一, 白土 優
  • 学会等名: 応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 自発磁化を示すAl添加Cr2O3薄膜の異常ホール効果 (2022)
  • 著者名/発表者名: 飯野伊音，櫻井皓基，多田龍生，豊木研太郎，中谷亮一，白土 優
  • 学会等名: 日本磁気学会第46回学術講演会
• [学会発表] 蛋白質PfV結晶中に合成した超常磁性Co-Ptナノ粒子の交流帯磁率 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田形 翔，神田大輔，小林直登，市川 聡，岸田憲明，東浦彰史，中谷亮一，中川敦史，白土 優
  • 学会等名: 日本磁気学会第46回学術講演会
• [学会発表] Pt/Co/Spacer(Pt, Ir, Au)/Cr2O3/Pt積層膜における垂直交換磁気異方性に対するスペーサ層材料の影響 (2022)
  • 著者名/発表者名: 江川浩史，沈 佳琦，豊木研太郎，中谷亮一，白土 優
  • 学会等名: 日本磁気学会第46回学術講演会
• [図書] スピントロニクスハンドブック (2023)
  • 著者名/発表者名: スピントロニクスハンドブック編集会、白土 優 他
  • 総ページ数: 760
  • 出版者: エヌ・ティー・エス
  • ISBN: 978-4-86043-842-5
• [備考] 大阪大学大学院工学研究科マテリアル生産科学専攻 中谷研究室
  • URL: http://www.mat.eng.osaka-u.ac.jp/mse2/index.html