Spin-dynamics in crystalline molecular films

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15H05420
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 三輪 真嗣 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (20609698)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: スピントロニクス

Outline of Annual Research Achievements

前年度までに本科研費で購入した大型備品である超高真空薄膜作製評価装置を用いてフタロシアニン薄膜と無機物のヘテロエピタキシャル成長の実現に成功した。そして放射光によりラジカルスピンの検出に成功した。今年度はこれらの知見を用いてフタロシアニンにおけるラジカルスピンの更なる評価および外場検出及び制御、具体的には電気的検出及び制御を目指す。
まずフタロシアニンのラジカルスピンが持つ磁性を精査した。放射Ｘ線により、薄膜Fe上のコバルトフタロシアニンの磁気モーメントを評価した。前年度は垂直磁化状態のコバルトフタロシアニンにおける軌道磁気モーメントが0.25uBであることを報告したが、今年度は磁化角度依存性を評価することにより軌道磁気モーメントの異方性が４割あることを示唆する結果を得た。これは通常の金属薄膜と比べて２倍以上大きな値である。これはフタロシアニンのラジカルスピンを電界により制御可能であることを強く示唆している。
次に昨年度までに確立したフタロシアニンと無機物のヘテロエピタキシャル技術を利用し、フタロシアニンのラジカルスピンを電極とした磁気トンネル接合を作製・評価した。トンネル磁気抵抗効果によりフタロシアニンのラジカルスピンを直接観察することを目指したが、磁気トンネル接合ではフタロシアニンのラジカルスピンのみに起因する信号を明瞭に観測することはできなかった。そこで同様のヘテロエピタキシャル膜を用いた多層膜に面内に電流を流すことにより、磁気抵抗効果によるスピンの電気的検出を試みた。結果としてフタロシアニンのスピンに由来する磁気抵抗効果の明瞭な観測に成功した。これはフタロシアニンのスピンをデバイスで電気的に検出した最初の事例である。またこのデバイスでは原理的にスピンホール効果によるフタロシアニンのスピン制御が可能である。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Magnetic tunnel junction with Fe(001)/Co phthalocyanine/MgO(001) single-crystal multilayer (2018)
  • Author(s): T. Kawabe, K. Shimose, M. Goto, Y Suzuki, and S. Miwa*
  • Journal Title: Applied Physics Express 11, 013201 (2018) Volume: 11 Pages: 1-3
  • DOI: 10.7567/APEX.11.013201
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electric-field-induced changes of magnetic moments and magnetocrystalline anisotropy in ultrathin cobalt films (2017)
  • Author(s): T. Kawabe, K. Yoshikawa, M. Tsujikawa*, T. Tsukahara, K. Nawaoka, Y. Kotani, K. Toyoki, M. Goto, M. Suzuki, T. Nakamura, M. Shirai, Y. Suzuki, and S. Miwa*
  • Journal Title: Physical Review B 96, 220412(R) (2017) Volume: 96 Pages: 1-16
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.96.220412
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Strong bias effect on voltage-driven torque at epitaxial Fe-MgO interface (2017)
  • Author(s): S. Miwa*, J. Fujimoto, P. Risius, K. Nawaoka, M. Goto, and Y. Suzuki
  • Journal Title: Physical Review X 7, 031018 (2017). 2017.7 Volume: 7 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1103/PhysRevX.7.031018
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Voltage controlled interfacial magnetism through platinum orbits (2017)
  • Author(s): S. Miwa*, M. Suzuki, M. Tsujikawa, K. Matsuda, T. Nozaki, K. Tanaka, T. Tsukahara, K. Nawaoka, M. Goto, Y. Kotani, T. Ohkubo, F. Bonell, E. Tamura, K. Hono, T. Nakamura, M. Shirai, S. Yuasa, and Y. Suzuki
  • Journal Title: Nature Communications 8, 15848 (2017). 2017.6 Volume: 8 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1038/ncomms15848
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Electron paramagnetic resonance study of MgO thin-film grown on silicon (2017)
  • Author(s): K. Hayashi, Y. Matsumura, S. Kobayashi, H Morishita, H. Koike, S. Miwa, N. Mizuochi, and Y. Suzuki
  • Journal Title: Journal of Applied Physics 121 (21), 213901 (2017). 2017.6 Volume: 121 Pages: 1-6
  • DOI: 10.1063/1.4977755
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Characterization of the magnetic moments of ultrathin Fe film in an external electric field via high-precision x-ray magnetic circular dichroism spectroscopy (2017)
  • Author(s): T. Tsukahara, T. Kawabe, K. Shimose, T Furuta, R. Miyakaze, K. Nawaoka, M. Goto, T. Nozaki, S. Yuasa, Y. Kotani, K. Toyoki, M. Suzuki, T. Nakamura, Y. Suzuki, and S. Miwa*
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics (Rapid Communications) 56, 060304 (2017). 2017.5 Volume: 56 Pages: 1-4
  • DOI: 10.7567/JJAP.56.060304
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Pt/Feフタロシアニン多層膜の磁気抵抗効果 (2018)
  • Author(s): 下瀬弘輝, 河辺健志, 後藤穣, 鈴木義茂, 三輪真嗣
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
• [Presentation] Co/MgO多層膜における磁気モーメント及び磁気異方性の電圧変調 (2018)
  • Author(s): 河辺健志, 吉川晃平, 辻川雅人, 塚原拓也, 縄岡孝平, 小谷佳範, 豊木研太郎, 後藤穣, 鈴木基寛, 中村哲也, 白井正文, 鈴木義茂, 三輪 真嗣
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
• [Presentation] スピン軌道相互作用で操るスピンデバイス・スピントロニクス (2018)
  • Author(s): 三輪真嗣
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
  • Invited
• [Presentation] Bruno mechanism on voltage-controlled magnetic anisotropy in ultrathin cobalt films (2018)
  • Author(s): Takeshi Kawabe、Kohei Yoshikawa、Masato Tsujikawa,、Takuya Tsukahara、Kohei Nawaoka、Yoshinori Kotani、Kentaro Toyoki、 Minori Goto、Motohiro Suzuki、Tetsuya Nakamura、Masafumi Shirai、Yoshishige Suzuki、Shinji Miwa
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Magnetoresistance of Pt(001)/Fe-phthalocyaine/MgO(001) pseudo-epitaxial multilayer (2018)
  • Author(s): Koki Shimose、Ryoto Enoki、Hiromu Gamou、Takeshi Kawabe、Takuya Tsukahara、Yoshinori Kotani、Kentaro Toyoki、Tetsuya Nakamura、Minori Goto、Yoshishige Suzuki、Junsaku Nitta、Makoto Kohda、Shinji Miwa
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Electric-field-induced effect in Fe/MgO-based multilayer devices (2018)
  • Author(s): S. Miwa
  • Organizer: Symposium on Frontier Researches of Functional Oxide Devices and Materials
  • Invited
• [Presentation] Elucidation of a mechanism of voltage-controlled magnetic anisotropy in Co/MgO multilayer (2018)
  • Author(s): T. Kawabe, K. Yoshikawa, M. Tsujikawa, T. Tsukahara, K. Nawaoka, Y. Kotani, K. Toyoki, M. Goto, M. Suzuki, T. Nakamura, M. Shirai, Y. Suzuki and S. Miwa
  • Organizer: 平成29年度「ナノスピン変換科学」年次報告会
• [Presentation] Microscopic origin of voltage-controlled magnetic anisotropy in FePt/MgO epitaxial multilayer (2018)
  • Author(s): S. Miwa, M. Suzuki, M. Tsujikawa, K. Matsuda, T. Nozaki, K. Tanaka, M. Goto, Y. Kotani, T. Ohkubo, F. Bonell, E. Tamura, K. Hono, T. Nakamura, M. Shirai, Y. Suzuki
  • Organizer: APS March 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electric-field-induced changes in magnetic moments and magnetic anisotropy in Co/MgO multilayer (2018)
  • Author(s): Takeshi Kawabe, Kohei Yoshikawa, Masahito Tsujikawa, Takuya Tsukahara, Kohei Nawaoka, Yoshinori Kotani, Kentaro Toyoki, Minori Goto, Motohiro Suzuki, Tetsuya Nakamura, Masafumi Shirai, Yoshishige Suzuki, Shinji Miwa
  • Organizer: APS March 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spin-dependent transport properties in Pt/Fe-phthalocyanine metal-organic bilayer (2018)
  • Author(s): K. Shimose, T. Kawabe, M. Goto, Y. Suzuki, and S. Miwa
  • Organizer: APS March 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 電圧制御による超省電力スピントロニクスデバイスの材料開発と放射光による界面磁気機能の解明 (2018)
  • Author(s): 三輪真嗣
  • Organizer: 第３回 元素戦略プロジェクト＜研究拠点形成型＞／大型研究施設連携シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Voltage-controlled magnetic anisotropy through multipole induction in platinum (2017)
  • Author(s): S. Miwa
  • Organizer: 15th RIEC International Workshop on Spintronics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 電界誘起多極子によるナノスピン変換 (2017)
  • Author(s): 三輪真嗣
  • Organizer: 第11回 物性科学領域横断研究会（領域合同研究会）
• [Presentation] Voltage Controlled Magnetic Anisotropy of Ultrathin Fe and Pt Characterized by X-Ray Magnetic Circular Dichroism Spectroscopy (2017)
  • Author(s): Takuya Tsukahara, Takeshi Kawabe, Koki Shimose, Taishi Furuta, Risa Miyakaze, Kohei Nawaoka, Minori Goto, Takayuki Nozaki, Shinji Yuasa, Yoshinori Kotani, Kentaro Toyoki, M. Suzuki, Tetsuya Nakamura, Yoshishige Suzuki, Shinji Miwa
  • Organizer: MRS Fall Meeting & Exhibit 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Voltage Control of Interfacial Magnetic Anisotropy, Dzyaloshinskii-Moriya Interaction and Exchange Coupling in Fe/MgO-Based Artificial Multilayers (2017)
  • Author(s): S. Miwa, K. Nawaoka, J. Cho, T. Nozaki, M. Suzuki, M. Tsujikawa, T. Tsukahara, M. Goto, F. Bonell, E. Tamura, H. Kubota, S. Tamaru, K. Yakushiji, A. Fukushima, Y. Kotani, T. Nakamura, M. Shirai, T. Ohkubo, K. Hono, C. You, S. Yuasa, Y. Suzuki
  • Organizer: MRS Fall Meeting & Exhibit 2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] はじめてのスピントロニクス 原理から応用デバイスまで (2017)
  • Author(s): S. Miwa
  • Organizer: 第7回CSJ化学フェスタ2017（日本化学会秋季事業）
  • Invited
• [Presentation] Synchrotron X-ray spectroscopy for voltage-controllable spintronic devices (2017)
  • Author(s): S. Miwa
  • Organizer: ICMaSS 2017（International Conference on Materials and Systems for Sustainability）
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Voltage controlled magnetic anisotropy through magnetic dipole term induction (2017)
  • Author(s): S. Miwa
  • Organizer: The 3rd ImPACT International Symposium on Spintronic Memory, Circuit and Storage(ImPACT第3回国際シンポジウム)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 放射光による新規スピントロニクス研究Novel Spintronics Phenomena Explored by Synchrotron Radiation (2017)
  • Author(s): 三輪真嗣
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
  • Invited
• [Presentation] Tunnel junction device with Co-phthalocyanine (2017)
  • Author(s): T. Kawabe, K. Shimose, K. Nawaoka, M. Goto, Y. Suzuki and S. Miwa
  • Organizer: 平成29年度「ナノスピン変換科学」研究会
• [Presentation] Fe/コバルトフタロシアニン/MgO/Feトンネル接合の磁気抵抗効果 (2017)
  • Author(s): 河辺健志, 下瀬弘輝, 縄岡孝平, 後藤穣, 鈴木義茂, 三輪真嗣
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] Transport properties of current-perpendicular-to-plane epitaxial Fe/Co-phthalocyanine/MgO/Fe junction (2017)
  • Author(s): T. Kawabe, K. Shimose, K. Nawaoka, M. Goto, Y. Suzuki and S. Miwa
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Voltage controlled magnetic anisotropy of monatomic Pt layer at Fe|MgO interface characterized by X-ray absorption spectroscopy (2017)
  • Author(s): 塚原拓也, 鈴木基寛, 河辺健志, 下瀬弘輝, 古田大志, 宮風里紗, 縄岡孝平, 後藤穣, 野崎隆行, 湯浅新治, 小谷佳範, 豊木研太郎, 中村 哲也 , 鈴木義茂, 三輪真嗣
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] X線磁気円二色性分光による電圧制御型スピントロニクスデバイスの研究 (2017)
  • Author(s): 三輪真嗣
  • Organizer: SPring-8シンポジウム2017
  • Invited