2017 Fiscal Year Annual Research Report
Microscopic understanding of interface spin-orbit coupling and development of perpendicular magnetic anisotropy devices
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16H06332
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
三谷 誠司 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, グループリーダー (20250813)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岡林 潤 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (70361508)
三浦 良雄 京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 准教授 (10361198)
介川 裕章 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, 主任研究員 (30462518)
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| Project Period (FY) |
2016-05-31 – 2021-03-31
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| Keywords | スピントロニクス / 磁性 / 表面・界面物性 / 超薄膜 / スピン軌道相互作用 / 垂直磁気異方性 / 軌道分光 / 第一原理計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
垂直磁気異方性等の重要な機能性の起源となる界面スピン軌道結合の微視的解明に関して、(1) 高品位試料作製と新規ヘテロ構造の創製、(2) X線磁気円二色性（XMCD）を中心とした磁気分光、(3) ヘテロ接合系の第一原理計算による物性解明を推進した。
主要な成果の一つ目としては、Cr/FeAl/MgAl2O4スパッタ積層膜において、1MJ/m3という巨大な垂直磁気異方性を実現した。MBE法によるFe/MgO系を除くと世界最高値であり、通常用いられるCoFeB/MgOでは到達し得ない値であると思われる。Fe/MgO系の巨大垂直磁気異方性にはスパッタ法では得られないという応用に関する問題があるが、本成果はその問題を解決に導くものである。
二つ目には、Cr/Fe/MgAl2O4の界面垂直磁気異方性、および、同じく界面敏感なスピン依存伝導について微視的解明が進んだことであり、界面垂直磁気異方性については第一原理計算とのよい一致が得られた。Cr/Fe/MgAl2O4では、down spin状態のみ（二次摂動による表式のスピン保存項）が垂直磁気異方性に寄与するが、酸化物層をMgOに置き換えたCr/Fe/MgOではup spin 状態の寄与（スピン反転項）もあるためMgOの場合に少し大きな垂直磁気異方性が得られる。物質依存性を的確に説明することに成功しており、今後の物質設計に極めて有用な成果である。
XMCDに関しても顕著な成果が得られており、第一原理計算結果との比較により、Co/Pd積層膜の垂直磁気異方性の微視的起源を明らかにするとともに明快な物理イメージを与えた。XMCDの結果は、Coの軌道磁気モーメントが異方的である一方、Pdでは当方的であることを示しており、Pdの電子状態の特徴を解明している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
巨大な界面垂直磁気異方性を示す磁性体ヘテロ構造の創製と微視的機構解明は本研究の中心課題であるが、それに関して、Cr/FeAl/MgAl2O4積層膜においてスパッタ薄膜世界最高値の垂直磁気異方性を実現することに成功している。Cr/FeAl/MgAl2O4では、界面での原子移動が巧みに制御されており、スパッタ薄膜での原子レベル構造制御が着実に進展しつつあると言える。微視的機構解明についても、明確な進捗があり、実験と理論の両面からのアプローチにより、Cr/Fe/MgAl2O4とCr/Fe/MgOの垂直磁気異方性の大きさの違いを二次摂動のスピン反転項の寄与の有無によって説明した。
Co/Pd積層膜の垂直磁気異方性の研究では、軌道分光が強力な評価手法として成功しており、第一原理計算との協働により、異方性の起源を微視的に明らかにしている。軌道磁気モーメントの空間分布の評価の重要性を確立したものである。
上記のように、従来いわゆるBrunoモデルと呼ばれる理論によって垂直磁気異方性の多くが説明されてきたが、本研究はBrunoモデルを越えた理解を与えつつあり、順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
巨大な界面垂直磁気異方性の創出と垂直磁気異方性の微視的解明については順調に進展しているため、引き続き中心課題として推進する。これまでの理解により、更に大きな垂直磁気異方性を得るためには、バンド構造由来では限界があり、スピン軌道相互作用の大きい元素を用いることが必須であると考えられるため、5d元素、希土類を用いて研究を加速していく。
また、微視的理解は非常に進んできており、何がどのように寄与しているかの分解作業では顕著な成果を得ているが、同時にシンプルな理解が難しくもなっている。Brunoモデルを補完するシンプルかつ直感的な理論モデルの構築も目指す。
新たに多くのエフォートを割いていく課題として、Rashba効果に起因する垂直磁気異方性の実現や伝導測定による界面電子状態の解明が挙げられ、上記中心課題とともに推進していく。Rashba効果などに関係する実験ではすでにいくつか準備的結果が得られており、今後、アプローチの仕方を明確にしていく。伝導測定に関しても既に一定の予備的成果を得ている。
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