磁性体におけるスピン軌道トルクの研究

2015 年度 実績報告書

• 研究領域: ナノスピン変換科学
• 研究課題/領域番号: 15H01017
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 三輪 真嗣 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (20609698)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: スピンエレクトロニクス

研究実績の概要

これまでにCoFeB/MgO、Fe/MgO、IrMn/MgO等の各トンネル接合においてトンネル異方性磁気抵抗(トンネルAMR)が発現することを見出した。またCoFeB/MgO/Taトンネル接合においてCoFeB/MgOのトンネルAMRを用いたスピントルクダイオード効果の測定にも成功した。(2015年Applied Physics Leters誌に発表)　これにより界面スピン軌道トルクを評価できる実験環境が整った。またMgOに埋め込まれたFeナノ粒子においてもトンネルAMRが発現することを見出した。(2016年Journal of Electronic Materials誌に発表)
スパッタ法によるCoFeB/MgO/Ta接合よりも、分子線エピタキシー法を用いたFe/MgOエピタキシャル接合の方が耐電圧や電流安定性において優れていることがわかったため、年度の後半ではFe/MgO接合に注力した。Fe/MgO接合においてV/Fe/MgO/Vエピタキシャル成長、トンネルAMRの発現、そしてCoFeB/MgOよりも大きな信号雑音比でのトンネルAMRによるスピントルクダイオード効果を実現した。
Fe/MgO接合におけるスピントルクダイオード効果からFe/MgO接合では4,000,000,000 (1/Vs）もの巨大な界面スピン軌道トルクが存在することを見出した。このトルクの大きさは規格化面積抵抗3 Ωμｍ２のトンネル接合におけるスピントランスファートルク同等であり非常に大きい。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

これまでにCoFeB/MgO、Fe/MgO、IrMn/MgO等の各トンネル接合においてトンネル異方性磁気抵抗(トンネルAMR)が発現することを見出した。またCoFeB/MgO/Taトンネル接合においてCoFeB/MgOのトンネルAMRを用いたスピントルクダイオード効果の測定にも成功した。これにより界面スピン軌道トルクを評価できる実験環境が整った。
またFe/MgO接合においてV/Fe/MgO/Vエピタキシャル成長、トンネルAMRの発現、そしてCoFeB/MgOよりも大きな信号雑音比でのトンネルAMRによるスピントルクダイオード効果を実現した。Fe/MgO接合におけるスピントルクダイオード効果からFe/MgO接合では4×10^9 (1/Vs）もの巨大な界面スピン軌道トルクが存在することを見出した。トルクの大きさは規格化面積抵抗3Ωμｍ２のトンネル接合におけるスピントランスファートルク同等である。
このように研究は非常に順調に進んでいる。今年度は巨大なスピン軌道トルクの起源解明と更なるトルクの増大を目指す。

今後の研究の推進方策

前年度に発見したV/Fe/MgO/Vトンネルにおける巨大な界面スピン軌道トルクの発現条件最適化と機構解明を目指す。具体的には下記の３つを行う。
（１）トンネル接合の規格化面積抵抗の大きさを変えてスピン軌道トルクを評価する。これによりトルクの電流誘起成分と電圧誘起機成分を分離する。
（２）トンネル異方性磁気抵抗効果(TAMR)と界面スピン軌道トルクの大きさを比較する。特にそれぞれのバイアス電圧依存特性を評価する。これにより界面電子状態と界面スピン軌道トルクの相関を議論する。
（３）Fe/MgO接合の間に異種原子を1原子層挿入し、トンネルAMR効果と界面スピン起動トルクの相関を評価する。

研究成果

• [雑誌論文] Tunne anisotropic magnetoresistance in CoFeB|MgO|Ta junctions (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Hatanaka, S. Miwa, K. Matsuda, K. Nawaoka, K. Tanaka, H. Morishita, M. Goto, N. Mizuochi, T. Shinjo, and Y. Suzuki
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 107 ページ: 082407-1~4
  • DOI: 10.1063/1.4929682
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Tunnel anisotropic magnetoresistance in CoFeB|MgO|Ta junctions. (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Hatanaka, S. Miwa, K. Matsuda, K. Nawaoka,K. Tanaka, H. Morishita, M. Goto, N. Mizuochi, Y. Suzuki
  • 学会等名: 2016 Joint MMM-Intermag Conference
  • 発表場所: Sandiego, USA
  • 年月日: 2016-01-13 – 2016-01-13
  • 国際学会
• [学会発表] Spin torque in Fe|MgO|V tunnel junction (2016)
  • 著者名/発表者名: 三輪真嗣
  • 学会等名: 平成27年度「ナノスピン変換科学」年次報告会
  • 発表場所: 東北大学（宮城県・仙台市）
  • 年月日: 2016-01-07 – 2016-01-07
• [学会発表] Ta/MgO/CoFeB接合における強磁性共鳴および電圧効果 (2015)
  • 著者名/発表者名: 畠中翔平，三輪真嗣，縄岡孝平，後藤穣，森下弘樹，水落憲和，鈴木義茂
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学（大阪府・吹田市）
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-16
• [学会発表] Detection of ferromagnetic resonance in CoFeB (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Hatanaka, S. Miwa, K. Matsuda, K. Nawaoka, K. Tanaka, H. Morishita, N. Mizuochi, T. Shinjo, Y. Suzuki
  • 学会等名: New Perspectives in Spintronic and Mesoscopic Physics
  • 発表場所: Univ.of Tokyo（東京都・文京区）
  • 年月日: 2015-06-11 – 2015-06-11
  • 国際学会