【研究領域課題番号】21H04648 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / マグノニクス / 非線形ダイナミクス / 反強磁性体

【研究成果の概要】

スピンの波の量子（マグノン）を応用する技術はマグノニクスと呼ばれ、その技術を用いた高エネルギー効率の情報処理回路の実現が期待されている。その実現には、マグノンの非線形ダイナミクスを利用したデバイスが必要である。本研究では、人工の積層反強磁性体に特有の非線形マグノンダイナミクスを様々な手法を用いて研究し、その学理を構築する。特に、特異なマグノン増幅現象について研究し、それを応用したマグノン増幅デバイスのコンセプトを実証する。本年度は当初計画に従い、計画のベースとなる研究を行った。
代表者（水上）は、積層反強磁性体の非線形マグノンダイナミクスに対するスピン散逸やマグノンモードの効果について明らかにするため、光パルスマグノン励起ならびに観察の手法を用いた実験を進めた。この研究の過程で、白金で挟み込んだ積層反強磁性体において、円偏光を用いた強磁性マグノン励起を新たに見出し、国際会議で報告した。また、代表者は、マグノンの非線形時空間発展イメージングならびに、三端子マグノン増幅素子の実証に向け、時空間分解計測の光学系改良を進めるとともにマイクロマグネティックシミュレーションによる数値解析を進めた。
他方、代表者ならびに分担者（飯浜）は、ナノサイズの積層反強磁性体における非線形マグノンダイナミクスを明らかにすることを目的に、高磁場光学系の改良を進めた。また、英国のグループとともに、積層反強磁性体の磁化ダイナミクス計測を進めた。
並行して、表面弾性波によって励振される非線形マグノンダイナミクスを明らかにするため、代表者はリチウムナイオベート単結晶基板上にコバルト鉄ボロン薄膜を作製し、分担者（能崎）はそのサンプル微細加工条件の最適化を進めデバイス作製の指針を得た。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2021-04-05 - 2022-03-31

【配分額】43,550千円 (直接経費: 33,500千円、間接経費: 10,050千円)

【研究領域課題番号】20K03831 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / ゆらぎの定理 / マグノン / 量子ドット / カーボンナノチューブ / 磁気抵抗 / オンサーガー関係式 / マグノン輸送 / スピンポンピング / 磁気トンネル接合 / 反強磁性体

【研究成果の概要】

前年度に引き続き、スピントロニクス分野の物理現象に対して、微視的な模型に基づく理論研究を展開し、(1) スピン軌道相互作用のある二次元電子系と強磁性絶縁体の接合におけるスピン共鳴の理論、(2) 近藤状態にある磁性不純物を介したスピンポンピングの理論、(3) スピンホール磁気抵抗現象におけるゆらぎの定理、について論文を出版した。これらの研究によって、磁性体と金属の界面におけるスピン流の微視的機構や新規物理現象の提案を行うことができた。今後の実験検証を強く期待したい。
さらにスピントロニクスとメゾスコピック系の境界領域の問題として、(4) スピン回転結合を利用したナノモーターの理論提案、(5) 量子ドット中の多電子スピン状態におけるスピン緩和時間の理論解析(実験との共同研究)、(6) 量子ラビ系を介した熱輸送の理論構築、などを行なった。特に(4), (5)の成果についてはPhys. Rev. Lett.誌で出版されており、プレスリリースも行っている。
高強度光パルスによる新しいスピントロニクス制御方法への道を探るための準備として、(7) GaAsにおける高次高調波におけるずり応力効果の解析、(8) GaAsにおける非摂動領域の高次高調波の理論の構築を行なった。これらの光との相互作用については、今後スピン流生成の新しい手法として用いることができると期待しており、現在研究を推し進めている。
この他に次の欄で記述するように、研究成果を5編のプレプリントとしてまとめることができている。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2020-04-01 - 2023-03-31

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究領域課題番号】19K23588 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / スピンダイナミクス / ジスプロシウム / スピン注入 / 反強磁性体 / 反強磁性 / 磁化相転移 / スピン流 / スピン渦度結合 / 表面弾性波

【研究成果の概要】

本研究では、巨視的な回転運動と電子スピンの結合であるスピン渦度結合を反強磁性を示すDyに適用することで、Dyを用いた非熱的スピン流生成技術の実現を目指した。
まずはDyの薄膜化を目指して、スパッタ成膜の最適条件を探索し、高品質なDy薄膜を実現した。更にDy薄膜を用いたスピン注入実験から、反強磁性状態にてスピンポンピング効率の強い抑制効果の観測に成功した。上述の実験に成功した一方で、スピン渦度結合の実験では、Dy薄膜を伝搬した表面弾性波の信号強度が著しく低減してしまった。これを解決するために、Dyの更なる薄膜化を目指した。今後は薄膜化したDyを用いたスピン渦度結合の観測を試みる。

【研究の社会的意義】

反強磁性体はデバイス応用上、多くの優れた特性を有しており、次世代デバイスの要素材料として注目されている。本研究では目標としていたスピン渦度結合を用いた反強磁性スピン注入の観測はできなかったが、常磁性、強磁性、反強磁性状態が温度によって発現するジスプロシウム(Dy)薄膜の成膜、更にスピンポンピング効果によるスピン注入に成功した。その結果、他の磁気状態に比べて反強磁性-Dyでは強いスピンポンピング効果の抑制が観測され、反強磁性-Dyにて長距離なスピン伝搬が実現されている可能性を示した。今回得られた成果は、Dy薄膜が反強磁性スピントロニクスデバイスの材料として有用であることを示すことができた。

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2019-08-30 - 2021-03-31

【配分額】2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】16K13842 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / マグノン / スピン流 / 反強磁性体 / 物性実験 / スピンエレクトロニクス

【研究成果の概要】

本研究では、反強磁性体中のマグノンを、スピン角運動量の流れであるスピン流の伝送媒体として活用することを目指している。具体的には、スピンゼーベック効果の観測を介して、熱的に励起された反強磁性マグノンがスピン流の担い手になれることを実験的に明らかにした。また、スピン波分光測定を通じて反強磁性マグノンの実空間における伝搬特性の直接評価を行い、反強磁性マグノンが強磁性マグノンと遜色のない伝搬長を備えていることを明らかにした。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】20760008 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

反強磁性体 / スピンダイナミクス / 超短パルスレーザー / 遷移金属酸化物 / スピントロニクス / 磁気光学効果

【研究成果の概要】

反強磁性体のスピン歳差運動の周波数はTHzオーダーに達し、強磁性のそれよりも桁違いに高いため、超高速な磁気記録が実現される可能性がある。本研究では、反強磁性体NiOにおいて円偏光パルス照射による非熱的なスピン制御を目指し、磁気光学ポンプ-プローブ測定を行った。NiOの反強磁性共鳴周波数と一致する1.1THzと約140GHzの振動が観測された。この結果は逆ファラデー効果、つまり円偏光パルスが試料内に有効磁場を作り出し、スピン歳差運動を誘起したとして解釈された。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2008 - 2009

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】20360005 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

新機能材料 / ハーフメタル / スピントロニクス / 反強磁性体 / スピン分極率 / アンドレーエフ反射

【研究成果の概要】

本研究では、高スピン偏極特性、かつ低(ゼロ)磁気モーメント性を併せ持つ、高機能なスピン制御材料を創製、及び新規なデバイス機能を探求することを目的とした。
(1)ハーフメタルの低磁気モーメント化:Fe系ホイスラー合金Fe_2(Cr_<1-x>M_x)Si(M=Ti,V)系バルク試料の実験により、Fe系ホイスラー合金は、従来に比較して1/2以下の低磁気モーメント性を持ち、擾乱耐性に優れたハーフメタルであることが明らかになった。
(2)反強磁性ホイスラー合金の歪み効果:格子整合MgAl_2O_4基板を用い、Fe_2VSiのエピタキシャル薄膜歪みを精密制御により、反強磁性ネール温度T_Nの大幅(50%)なエンハンスを見出した。
(3)反強磁性体のハーフメタル化:二重ペロブスカイトSrLaVMoO_6において、反強磁性状態と有限のスピン分極が共存することを初めて実証した。また、SrLaVMoO_6エピタキシャル薄膜の特性評価から、光電子分光によりハーフメタル電子構造の実験的証拠を得た。
(4)ナノヘテロ構造を用いた検討:ナノヘテロ構造における界面ハーフメタル性の直接的検証方法として超伝導NbN接合法を開発した。この手法を、電気伝導スピン分極率P_σがハーフメタルと予測されているFe_4Nに適用して、精密定量化を実証した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】18,200千円 (直接経費: 14,000千円、間接経費: 4,200千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】19860020 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

反強磁性体 / スピンダイナミクス / 超短パルスレーザー / 遷移金属酸化物 / スピントロニクス / 磁気光学効果

【研究成果の概要】

反強磁性体の磁化ダイナミクスは強磁性体よりも桁違いに高速であり、超高速制御が可能であることが理論的に予測されている。我々はその実現を目指して研究を行っている。反強磁性体NiOはNeel温度が523Kと高く,室温で動作する交換バイアス物質として有望視されているため、試料として用いた。平成19年度においてはまず、NiO単結晶をフローティングゾーン法を用いて作製し、x線により111面に方位出しを行った。さらに、厚さ100ミクロンまで研磨し、アニールにより磁気ドメインを大きくする処理を施した。
クロスニコル法を用いたドメイン観察を行ったところ、T1〜T4ドメインが見られ、ドメインサイズはおよそ100ミクロンであった。
一方、パルス幅100fs、繰り返し周波数1kHzの超短パルスレーザーを用いたポンプ&プローブ測定システムを構築した。そしてNiOの超高速磁化ダイナミクスを室温にて測定し、ポンプ光の円偏光ヘリシティーによって誘起される信号の符号が反転することを見出した。
これは光励起が非熱的なプロセスであり、光の角運動量をスピン系に注入できたことを示すものである。さらに応答速度が光パルス幅と同程度の約200fsと超高速であったことから、超高速スピン制御への応用が十分に期待される。
さらに、光励起による応答は、4種類のドメイン毎に異なる振る舞いを示した。ドメインダイナミクスに関する知見が得られるものと期待される。

【研究種目】若手研究(スタートアップ)

【研究期間】2007 - 2008

【配分額】3,115千円 (直接経費: 2,710千円、間接経費: 405千円)