| 研究課題/領域番号 |
25820135
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| 研究機関 | 関西大学 |
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研究代表者 |
本多 周太 関西大学, システム理工学部, 助教 (00402553)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 純スピン流 / マイクロマグネティクス / スピン伝導 / スピントランスファートルク |
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| 研究実績の概要 |
純スピン流注入による磁性体中の磁化制御や純スピン流の伝導に適した素材開発に向け，磁性体中の磁化とシミュレーションや数値計算を行なった。シミュレーションにはランダウリフティッツ方程式に基づいたマイクロマグネティクスシミュレーションに独自にモデル化した純スピン注入による効果を取り入れたシミュレータと第一原理バンド計算パッケージを用いた。最近，磁性ナノリボンに生成された磁気バブルや磁気スカーミオンを電流で駆動させることを応用した磁気メモリの開発が期待されている。そこで磁気バブルとバブルを横切るスピントルクとの関係を細線中を流れるスピン流に着目し解析した。その結果，磁気バブルの形状や細線が持つ飽和磁化の大きさで，バブルが安定に駆動する場合や消滅，拡大する場合があることが明らかとなった。さらに，純スピン流を磁気バブルが形成された磁性体へ注入することにより，磁気バブルを駆動させられることを提案した。このときの駆動電力はスピン偏極電流による駆動よりも少ないことも明らかとなった。さらに，この駆動と反強磁性磁化膜構造を用いて，低電流で駆動可能な磁気バブルが生成できることを提案した。駆動に必要な閾値電流が従来の磁気バブルより４桁以上少ないシミュレーション結果が得られた。また，独自に開発したタイトバインディングモデルを用いたスピン伝導の数値計算に出現する標準固有値問題を一般化固有値問題へ変更し最適化することで計算精度を向上させるための方法に，関型固有値問題を適用することで，より汎用性がある構造にも適用できるように改良し発表した。これによって，数値計算の精度が５桁程度上昇し，数値計算エラーが激減した。これは磁性体だけでなく細線中のスピン伝導・電気伝導の数値計算にも利用でき，特に電流値の小さなトンネル伝導型トランジスタの数値シミュレーションなどにも利用できると期待される。
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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
磁性体中へ純スピン流を注入することで，磁性体中の磁化状態が変化する事が知られている。純スピン流注入による磁化制御は，省エネルギーで駆動する磁気メモリへ応用されることが期待されている。純スピン流を用いた磁化反転の高効率化の方法を提案し，また，純スピン流注入によって磁性体中の磁化がどのように変化するのかの機構を解明することが本研究の目的である。純スピン流注入モデルを取り入れたシミュレーションにより，ナノサイズの磁性体中への純スピン流注入における磁化反転について調べた。その結果，スピン流の注入位置や方向により磁性体中の磁化の反転速度や反転確率が変化することが明らかとなった。さらに，純スピン流注入の特性を利用し，スピン流のスピン偏極方向を磁性体中の磁化の反転方向から傾けることや，多方向からスピンを注入することにより，磁化反転の速度や確率を向上させることができることを提案した。複数の向きにスピン偏極したスピンを多方向から磁性体へと注入することによる磁化の制御は純スピン流注入でしか実現できない方法であり，純スピン流注入による磁化反転の大きな優位性を示す結果である。純スピン流を用いた磁化制御の高効率化のためには，純スピン流を生成源から減衰させずに注入先磁性体へ運ぶ必要がある。純スピン流の生成や伝導には，生成源の強磁性体界面の磁化状態や金属リード中のスピン伝導や電子状態の解析が必要である。そこで高精度な伝導計算を行なう手法を開発し，それを利用することによってスピン拡散長が長い物質であるグラフェンを用いたスピン伝導機構を提案した。さらに，スピン流を応用した機構や新しい磁化制御機構も提案しており，現在までの研究目標を順調に達成している。
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでの研究では純スピン流注入においてナノサイズの磁性体中の磁化がどのように変化するのか，また，どのような注入方法が磁性体中の磁化をより容易に反転制御できるかを明らかとしてきた。これらの結果を踏まえ，磁化反転以外の応用法を示す。最近，薄膜強磁性体へのスピン注入の実験で，特異な磁化の変化が観測されている。この現象を独自に開発しマイクロマグネティクスシミュレーションを用いて検証し，実験結果を再現することで原因を解明する。注入磁化反転において更に高速に磁化を反転させる機構を提案することを次年度の目標とする。さらに，今年度の研究で明らかとなった磁気バブルの制御に関して，より詳しく検証する。これは，数１００ナノメートル幅で厚さ数ナノメートルの磁性細線に形成された磁気バブルを制御するものであり，磁性体の厚さや幅によって，制御効率が変化すると考えられる。これらのシミュレーションにはランダウリフティッツ方程式に基づいたマイクロマグネティクスシミュレーションに独自にモデル化した純スピン注入による効果を取り入れたシミュレータを用いる。また，最近提案したL字型磁気メモリにおいても純スピン注入による磁化の制御により，より高速に低消費電力で磁化を制御できると考えられ，その方法もシミュレーションにより検証する。さらに，これらのシミュレーションで得られた磁気構造や磁化制御方法を実験グループと連携し実験的に再現することも目標とする。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
今年度後半に純スピン流注入を用いることでナノサイズ磁性体中の磁化反転だけでなく，垂直磁化を有する強磁性ナノリボン中の磁化状態中で特異な物理現象が起こりうるとのシミュレーション結果が得られた。また，この磁性ナノリボン中の磁化制御は強磁性ナノリボン型の磁気メモリへ応用されることが期待される。よって得られた結果をさらに検証し，また，実験グループと再現を行うため，補助事業の期間延長を行った。それに伴い、それを実験グループと共に検証し，より多くの知見を得るために計算機の購入や研究議論のための出張費が必要となった。したがって，研究費を次年度へ繰り越すことが必要となった。
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| 次年度使用額の使用計画 |
純スピン注入による磁性体中の特異な磁化の挙動が実験的に観測された。観測された磁性体は素子サイズが大きく，同様のサイズの磁性体をシミュレーションで再現し解析を行うためには，より多くの計算機が必要となる。そこで，数値計算用の計算機を購入する。また，本研究で提案した磁化状態を実験的に再現するための研究議論用の旅費に使用する。さらに，これらの研究を公開するための学会発表のための旅費，論文投稿費用，英文添削費用に使用する。
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