高周波スピントロニクスの研究

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 23226001
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 鈴木 義茂 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (50344437)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 水落 憲和 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (00323311) ; 三輪 真嗣 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (20609698) ; 久保田 均 独立行政法人産業技術総合研究所, ナノスピントロニクス研究センター, チーム長 (30261605) ; 今村 裕志 独立行政法人産業技術総合研究所, ナノスピントロニクス研究センター, チーム長 (30323091) ; 白石 誠司 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30397682)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: スピントロニクス / 磁気共鳴 / ダイオード / スピントルク / 磁気異方性

Outline of Annual Research Achievements

1. 高性能スピントルク発振器の研究 　(a) スピントルク発振素子(STO) における位相ロックボルテックス型および通常のSTOに高周波電流を注入し位相ロックを実現、目標であるQ値104を大きく超える108を得た。高い磁気抵抗比を持つ場合、固定層が面内磁化でもボルテックスの振動励起が可能で位相同期に適することを示した。(b) スピントルク発振素子(STO)の高周波数化高い垂直磁気異方性を有する薄膜の作製および、垂直磁化強磁性薄膜をMgOトンネルバリアの直下にもつ磁気抵抗薄膜に対する微細加工プロセスを構築した。ソンブレロ型発振素子の高調波は外部磁場の角度により制御可能であることを示した。
2. 超高感度磁場センサーの研究(a)磁気抵抗検出型、STO発振強度検出型、STO位相変化検出型の比較により、STOの位相変化検出型が最も高感度であるという理論と一致した実験結果を得た。STOを用いた常磁性共鳴のシミュレーションを行なった。(b) ダイヤモンド中のNVセンターを用いた超高感度磁場センサーの特性向上ために、N-V軸の方向制御等の試料作成プロセスを開発した。微弱な磁場を発生させる電極を作製した
3. 超高感度スピントルクダイオードの研究(a) 非線形ノイズの評価を終えた。確率共鳴により、非線形強磁性共鳴同等のスピントルクダイオード感度が得られることがわかった。(b) 微小磁性体の磁気共鳴においてはスピントルク励起から磁場励起に変更することによりQ値が向上することを見出した。
(c)常磁性体であるグラフェンのような系においても純スピン流＝電流変換が可能であることを実験的に実証した。スピンホール角が10-7オーダーであることを明らかにした。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

ボルテックス型発振器は予想以上の大出力が得られ，その結果，高周波電流注入による位相同期が実現し，目標を大きく上回る高いQ値を得ることができた．また，外部回路による位相制御にも世界で初めて成功し，STOの周波数安定性を飛躍的に高めることが可能になった．高い発振周波数を持つ素子の作製は，磁気抵抗素子の加工プロセスが構築できた．この結果、複数の会社から技術移転や共同研究の引き合いが来ている。
半導体を超えるスピントルクダイオードの性能を実証した。
高周波磁界をもちいてグラフェンにスピン注入し、室温でのスピン輸送、純スピン流生成に成功した。更に同じ手法を用いて縦方向にスピン注入した場合にスピン流＝電流変換ができることも示し、グラフェンスピン素子の応用可能性を開拓した。

Strategy for Future Research Activity

1. 高性能スピントルク発振器の研究 1)位相ロックによる周波数安定化をさらにすすめる．複数素子による相互位相ロックを目指す．H27年度も引き続き少数個アレイにおける電気結合を用いた位相同期の解析を行う。特に発振周波数の電流依存性が位相同期に与える影響について理論的に明らかにする。2)スピントルク発振素子(STO)の高周波数化においては，高い発振周波数の観測に注力する．高次の磁気異方性を持つゼロ磁場で動作する高出力なスピントルク発振器の提案を目指す。
2. 超高感度磁場センサーの研究1). 常磁性共鳴時の感度について共鳴をただしくとり扱った理論を構築する。2). コヒーレンス時間の長時間化やN-V軸の方向制御等の特性向上のための試料作成プロセスの評価を行い、実際に微弱な磁場の計測を行っていく。
3. 超高感度スピントルクダイオードの研究1). 超高感度スピントルクダイオードの研究においては、確率共鳴を含んだ非線形磁気共鳴の学理を完成させる。また微粒子の磁気共鳴に関しては引き 続き検討を行う予定である。2).昨年度確立したグラフェンにおける高周波スピン注入技術をベースに、イオンゲートを用いたスピンキャリアの制御及びスピン変換極性の制御、更に界面ラシュバ場の制御まで目指すことで軽元素系の高周波スピン注入とスピン物性制御に挑戦する。

Research Products

• [Journal Article] Voltage modulation of propagating spin waves in Fe (2015)
  • Author(s): K. Nawaoka, Y. Shiota, S. Miwa, E. Tamura, N. Mizuochi, T. Shinjo, Y. Suzuki
  • Journal Title: J. Appl. Phys. Volume: 117 Pages: 17A905
  • DOI: 10.1063/1.4914060
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Observation of spin-charge conversion in CVD grown single-layer graphene (2014)
  • Author(s): R. Ohshima, A. Sakai, Y. Ando, T. Shinjo, K. Kawahara, H. Ago and M. Shiraishi,
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. Volume: 105 Pages: 162410
  • DOI: 105/16/10.1063/1.4893574
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dynamically-generated pure spin current in graphene (2014)
  • Author(s): Z. Tang, H. Ago, E. Shikoh, Y. Ando, T. Shinjo and M. Shiraishi
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 87 Pages: 140401
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.87.140401
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Large amplitude oscillation of magnetization in spin-torque oscillator stabilized by field-like torque (2014)
  • Author(s): Tomohiro Taniguchi, Sumito Tsunegi, Hitoshi Kubota, and Hiroshi Imamura
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 117 Pages: 17C504-1-3
  • DOI: 10.1063/1.4907696
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Discontinuous frequency drop in spin torque oscillator with a perpendicularly magnetized FeB free layer (2014)
  • Author(s): Sumito Tsunegi, Tomohiro Taniguchi, Hitoshi Kubota, Hiroshi Imamura, Shingo Tamaru, Makoto Konoto, Kay Yakushiji, Akio Fukushima, and Shinji Yuasa
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 53 Pages: 060307-1-4
  • DOI: 10.7567/JJAP.53.060307
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] High emission power and Q factor in spin torque vortex oscillator consisting of FeB free layer (2014)
  • Author(s): Sumito Tsunegi, Hitoshi Kubota, Kay Yakushiji, Makoto Konoto, Shingo Tamaru, Akio Fukushima, Hiroko Arai, Hiroshi Imamura, Eva Grimaldi, Romain Lebrun, Julie Grollier, Vincent Cros, and Shinji Yuasa
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 7 Pages: 063009-1-4
  • DOI: 10.7567/APEX.7.063009
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Self-oscillation in spin torque oscillator stabilized by field-like torque (2014)
  • Author(s): Tomohiro Taniguchi, Sumito Tsunegi, Hitoshi Kubota, and Hiroshi Imamura
  • Journal Title: APPLIED PHYSICS LETTERS Volume: 104 Pages: 152411-1-5
  • DOI: 10.1063/1.4871699
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Controlling the chirality and polarity of vortices in magnetic tunnel junctions (2014)
  • Author(s): A. S. Jenkins, E. Grimaldi, P. Bortolotti, R. Lebrun, H. Kubota, K. Yakushiji, A. Fukushima, G. de Loubens, O. Klein, S. Yuasa, and V. Cros
  • Journal Title: APPLIED PHYSICS LETTERS Volume: 105 Pages: 172403-1-5
  • DOI: 10.1063/1.4900743
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Large amplitude spin torque vortex oscillations at zero external field using a perpendicular spin polarizer (2014)
  • Author(s): A. Dussaux, E. Grimaldi, B. Rache Salles, A. S. Jenkins, A. V. Khvalkovskiy, P. Bortollotti, J. Grollier, H. Kubota, A. Fukushima, K. Yakushiji, S. Yuasa, V. Cros, A. Fert
  • Journal Title: APPLIED PHYSICS LETTERS Volume: 105 Pages: 172403-1-5
  • DOI: 10.1063/1.4885537
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Rotational motion of a magnetic vortex in a circular disk induced by injection of an electric current through an off-centered point contact (2014)
  • Author(s): Hiroshi Tsukahara and Hiroshi Imamura
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW B Volume: 90 Pages: 214437-1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.90.214437
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Macrospin simulation of high-frequency voltage-assisted magnetization reversal in a perpendicularly magnetized disk with voltage-induced magnetic anisotropy (2014)
  • Author(s): Hiroko Arai, Hiroshi Imamura*, and Takayuki Nozaki
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 7 Pages: 93005-1-4
  • DOI: 10.7567/APEX.7.093005
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] ナノ磁石によるマイクロ波発振器 (2015)
  • Author(s): 久保田 均、田丸 慎吾、福島 章雄
  • Organizer: Nanotech 2015
  • Place of Presentation: 東京ビッグサイト（東京都、江東区）
  • Year and Date: 2015-01-28 – 2015-01-30
• [Presentation] スピントルク高周波発振素子 (2014)
  • Author(s): 久保田 均、薬師寺 啓、福島 章雄、田丸 慎吾、甲野藤 真、常木 澄人、野崎 隆行、松本 利映、前原 大樹、鈴木 義茂、湯浅 新治、谷口 知大、荒井 礼子、今村 裕志
  • Organizer: 応用応用物理学会電子物性分科会/スピントロニクス研究会 共催研究会
  • Place of Presentation: 首都大学東京（東京都、八王子市）
  • Year and Date: 2014-11-25 – 2014-11-25
  • Invited
• [Presentation] スピントルクによるナノ磁性体の高周波スピンダイナミクス (2014)
  • Author(s): 三輪真嗣，鈴木義茂
  • Organizer: MSJ 第198回研究会
  • Place of Presentation: 中央大学駿河台記念館（東京都、千代田区）
  • Year and Date: 2014-11-21 – 2014-11-21
• [Presentation] Theoretical study of magnetic vortex oscillation in a magnetic nanopillar with high magnetoresistance ratio having an in-plane spin polarizer (2014)
  • Author(s): 塚原 宙、荒井礼子、今村裕志
  • Organizer: The 59th Annual Magnetism and Magnetic Materials (MMM) Conference
  • Place of Presentation: Honolulu, USA
  • Year and Date: 2014-11-06 – 2014-11-06
  • Invited
• [Presentation] Highly sensitive magnetic field sensor using spin-torque oscillators (2014)
  • Author(s): H. Tomita, H. Kubota, S. Miwa, A. Fukushima,S. Yuasa, Y. Suzuki
  • Organizer: 59th Annual Magnetism & Magnetic Materials Conference (MMM2014)
  • Place of Presentation: Honolulu, USA
  • Year and Date: 2014-11-05 – 2014-11-05
• [Presentation] pin-torque induced stochastic resonance in CoFeB/MgO/CoFeSiB magnetic tunnel junction (2014)
  • Author(s): H. Tomita, S. Miwa,M. Umeyama, H. Kubota, R. Matsumoto, K. Yakushiji,A. Fukushima, S. Yuasa, N. Mizuochi, T. Shinjo, Y. Suzuki
  • Organizer: 9th Annual Magnetism & Magnetic Materials Conference (MMM2014)
  • Place of Presentation: Honolulu, USA
  • Year and Date: 2014-11-05 – 2014-11-05
• [Presentation] Large amplitude oscillation of magnetization in spin-torque oscillator stabilized by field-like torque (2014)
  • Author(s): 谷口知大、常木澄人、久保田均、今村裕志
  • Organizer: 59th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials
  • Place of Presentation: Honolulu, USA
  • Year and Date: 2014-11-04 – 2014-11-04
• [Presentation] Perfect parametric synchronization at multiple frequencies for spin-transfer vortex oscillators in hybrid magnetic tunnel junctions (2014)
  • Author(s): R. Lebrun, P. Bortolotti, C. Serpico, A. Jenkins, E. Grimaldi, J. Grollier, H. Kubota, K. Yakushiji, A. Fukushima, S. Yuasa and V. Cros
  • Organizer: 59th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials
  • Place of Presentation: Honolulu, USA
  • Year and Date: 2014-11-04 – 2014-11-04
• [Presentation] High-power spin torque oscillators (2014)
  • Author(s): 久保田 均、薬師寺 啓、常木 澄人、甲野藤 真、田丸 慎吾、福島 章雄、谷口 知大、荒井 礼子、今村 裕志、鈴木 義茂、湯浅 新治
  • Organizer: IcAUMS 2014
  • Place of Presentation: Haikoku, China
  • Year and Date: 2014-10-30 – 2014-10-30
  • Invited
• [Presentation] Spin-torque oscillator and magnetic field sensor (2014)
  • Author(s): H. Tomita, H. Kubota, S. Miwa, A. Fukushima, S. Tsunegi, S. Tamaru, S. Yuasa, Y. Suzuki
  • Organizer: IcAUMS 2014, 4.Microwave Materials and Devices
  • Place of Presentation: Haikou, CHINA
  • Year and Date: 2014-10-28 – 2014-10-28
  • Invited
• [Presentation] Stabilization of self-oscillation in spin torque oscillator by field-like torque (2014)
  • Author(s): 谷口知大、常木澄人、久保田均、今村裕志
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学（北海道､札幌市）
  • Year and Date: 2014-09-19 – 2014-09-19
• [Presentation] Detection of paramagnetic particle using spin-torque oscillator (2014)
  • Author(s): 冨田博之，久保田均，三輪真嗣，福島章雄，湯浅新治，鈴木義茂
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学（北海道､札幌市）
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-17
• [Presentation] Nonlinear stochastic spin-dynamics in CoFeSiB under spin-torque excitation (2014)
  • Author(s): 冨田博之，三輪真嗣，梅山真理子，久保田均，松本利映，薬師寺啓，福島章雄，湯浅新治，水落憲和，新庄輝也，鈴木義茂
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学（北海道､札幌市）
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-17
• [Presentation] Ferromagnetic resonance of CoFeB detected by tunnel anisotropic magnetoresistance (2014)
  • Author(s): 畠中翔平，三輪真嗣，松田健彰，縄岡孝平，田中和仁，森下弘樹，水落憲和，新庄輝也，鈴木義茂
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学（北海道､札幌市）
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-17
• [Presentation] Spin-torque-induced magnetic resonance in Fe nanoparticles (2014)
  • Author(s): 三輪真嗣，松田健彰，縄岡孝平，水落憲和，新庄輝也，鈴木義茂
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学（北海道､札幌市）
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-17
• [Presentation] 高磁気抵抗トンネル接合素子における面内電流および磁気渦発振に関する理論的研究 (2014)
  • Author(s): 塚原 宙、荒井礼子、今村裕志
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学（愛知県､春日井市）
  • Year and Date: 2014-09-09 – 2014-09-09
• [Presentation] サブミクロン強磁性体における磁気共鳴の低周波極限 (2014)
  • Author(s): 三輪真嗣，久保田均，薬師寺啓，石橋翔太，猿谷武史，福島章雄，湯浅新治，鈴木義茂
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学（愛知県､春日井市）
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-07
• [Presentation] スピン波電圧変調における伝搬方向対称性の評価 (2014)
  • Author(s): 縄岡孝平，塩田陽一，三輪真嗣，冨田博之，水落憲和，新庄輝也，鈴木義茂
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学（愛知県､春日井市）
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-07
• [Presentation] High-speed magnetic field detector based on a spin valve with perpendicularly magnetized free layer and in-plane magnetized reference layer (2014)
  • Author(s): 荒井礼子、今村裕志
  • Organizer: IUMRS-ICA 2014
  • Place of Presentation: 福岡大学（福岡県、福岡市）
  • Year and Date: 2014-08-27 – 2014-08-27
• [Presentation] Control of magnetization using current and voltage (2014)
  • Author(s): Y. Suzuki
  • Organizer: INEC2014 IEEE International Nanoelectronics Conference 2014
  • Place of Presentation: Hokkaido Univ., Sapporo, Hokkaido
  • Year and Date: 2014-07-30 – 2014-07-30
  • Invited
• [Presentation] Nanoscale microwave generator using a magnetic tunnel junction (2014)
  • Author(s): 久保田 均、薬師寺 啓、田丸 慎吾、福島 章雄、甲野藤 真、常木 澄人、野崎 隆行、松本 利映、前原 大樹、鈴木 義茂、湯浅 新治
  • Organizer: IEEE INEC 2014
  • Place of Presentation: Hokkaido Univ., Sapporo, Hokkaido
  • Year and Date: 2014-07-30 – 2014-07-30
  • Invited
• [Presentation] High Emission Power in Spin Torque Vortex Oscillator Having FeB Free Layer (2014)
  • Author(s): S. Tsunegi, H. Kubota, K. Yakushiji, S. Tamaru, A. Fukushima, M. Konoto, H. Arai, H. Imamura, S. Yuasa, E. Grimaldi, R. Lebrun, J. Grollier, and V. Cros
  • Organizer: IEEE ICMM 2014
  • Place of Presentation: Tohoku Univ.,Sendai, Miyagi
  • Year and Date: 2014-07-01 – 2014-07-01
  • Invited
• [Presentation] Spin transfer induced coupled vortex rf oscillations in hybrid magnetic tunnel junctions (2014)
  • Author(s): Romain LEBRUN, Nicolas LOCATELLI, Flavio ARAUJO, Julie GROLLIER, Sumito TSUNEGI, Hitoshi KUBOTA, Kay YAKUSHIJI, Akio FUKUSHIMA, Shinji YUASA, Vincent CROS
  • Organizer: IEEE ICMM 2014
  • Place of Presentation: Tohoku Univ.,Sendai, Miyagi
  • Year and Date: 2014-07-01 – 2014-07-01
• [Presentation] ナノサイズ強磁性体の電流と電圧による磁化制御 Current and Voltage Control of a magnetization in nano‐magnets (2014)
  • Author(s): Y. Suzuki
  • Organizer: ナノ学会
  • Place of Presentation: 京都大学（京都府､京都市）
  • Year and Date: 2014-05-22 – 2014-05-22
  • Invited
• [Presentation] Highly sensitive nanoscale spin-torque diode (2014)
  • Author(s): S Miwa, S Ishibashi, H Tomita, T Nozaki, Y Shiota, E Tamura, N Mizuochi, T Saruya, H Kubota, K Yakushiji, T Taniguchi, H Imamura, A Fukushima, S Yuasa, Y Suzuki
  • Organizer: INTERMAG Europe 2014
  • Place of Presentation: Dresden, Germany
  • Year and Date: 2014-05-06 – 2014-05-06
  • Invited
• [Presentation] High emission power and narrow linewidth vortex oscillation in a MgO capped FeB free layer with the help of injection locking (2014)
  • Author(s): S. Tsunegi, H. Kubota, K. Yakushiji, S. Tamaru, A. Fukushima, M. Konoto, H. Arai, H. Imamura, S. Yuasa, E. Grimaldi, R. Lebrun, J. Grollier, and V. Cros
  • Organizer: IEEE International Magnetics Conference 2014
  • Place of Presentation: Dresden, Germany
  • Year and Date: 2014-05-06 – 2014-05-06
• [Presentation] Experimental and theoretical study of the linewidth: the response to noise of a vortex based spin transfer oscillator (2014)
  • Author(s): E. Grimaldi, P. Bortollotti, A. Dussaux, J. Grollier, A. Fukushima, H. Kubota, K. yakushiji, S. Yuasa, V. Cros
  • Organizer: IEEE International Magnetics Conference 2014
  • Place of Presentation: Dresden, Germany
  • Year and Date: 2014-05-06 – 2014-05-06
• [Presentation] Role of magnetic field in self-oscillation of nanomagnet excited by spin torque (2014)
  • Author(s): 谷口 知大、田丸 慎吾、荒井 礼子、常木 澄人、久保田 均、今村裕志
  • Organizer: Intermag2014
  • Place of Presentation: Dresden, Germany
  • Year and Date: 2014-05-05 – 2014-05-05
• [Remarks] 大阪大学基礎工学研究科鈴木義茂・水落憲和研究室 基盤研究（S）
  • URL: http://www.suzukiylab.mp.es.osaka-u.ac.jp/kiban_s/index.html