【研究領域課題番号】19F19815 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

skyrmions / micromagnetics / simulations / topology / helimagnetism / spintronics / Nernst effect / scalar spin chirality / スキルミオン / トポロジカルなスピン構造

【研究成果の概要】

In my original proposal for the fiscal year 2021, I planned to continue my collaborations on (1)the three-dimensional texture of skyrmions as well as the collaborations on (2)the effects of thermally activated scalar spin chirality on atomic lattices. Moreover, I planned to study the effects of temperature and temperature gradients on the motion of skyrmions, supporting recent experimental results at RIKEN.
On the end of (1), I have worked on various different topics, exploiting the computational power of my modified version of the open source simulation tool MuMax3. I could explain the unusual experimental observations at topological defects in the helical (lamellar) phase of chiral magnets and, in a different project, explain the stability of skyrmions and antiskyrmions in an experimentally mapped out series of various material compositions. Moreover, a work on the current-induced distortion of skyrmions pinned at defects is under review, as well as a work on the electrical and spin currents induced by the motion of a magnetic screw.
Our first work on the large Hall and Nernst effects induced by (2) has also been published and subsequent projects were initiated. However, my program for simulating the thermal Hall effect in such systems is not ready for use yet.
Finally, I also tried the motion of skyrmions in temperature gradient which was described in previous theories which,but failed to explain experimental observations at RIKEN.I corrected small errors in these previous and combined the results with a compensate theory for error, which finally described the experiments.

【研究種目】特別研究員奨励費

【研究期間】2019-11-08 - 2022-03-31

【配分額】2,200千円 (直接経費: 2,200千円)

【研究領域課題番号】19K22124 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ディラック磁性体 / スピントロニクス / スピンホール効果 / トポロジー / ベリー位相 / トポロジカル磁性体 / 磁性薄膜

【研究成果の概要】

主にディラック磁性体の候補であるγ相FeMnの薄膜に焦点を当てた。γ-FeMnでは、強結合近似のもとでフェルミ準位付近にスピン縮退したディラック構造が見られ、歪みによりスピンホール効果が観測されることが期待されていた。圧電材料基板上に作製したFeMn/Ni-Fe薄膜試料に対して、歪みと外部磁場を同時に印加した状態でアニールした。室温でスピンゼーベック/異常ネルンスト効果測定を行い、スピンホール効果の大きさを計測したが、歪みによる信号強度の制御は、測定精度の範囲内で観測されなかった。一方、測定された熱起電力信号に交換バイアス効果が見られ、その大きさはこの系で報告された値の中でも最大値に近かった。

【研究の社会的意義】

本研究ではスピントロニクス材料として新しい種類のトポロジカル磁性体である「ディラック磁性体」を提案した。近年スピン縮退の解けた線形バンドの交差点であるワイル点を有する特異な電子構造に由来した高効率なスピン流と電流の変換効果（スピンホール効果）が注目を集めている。一方、本研究ではスピン縮退した線形バンドが交差するディラック点を有する磁性体をディラック磁性体と定義し、その機能開発を行った。特に、歪みの印加により発生すると期待される、ディラック点のベリー位相磁場の効果によるスピンホール効果を観測することを目指して研究を行った。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2019-06-28 - 2021-03-31

【配分額】6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)

【研究領域課題番号】18H03685 (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 / スキルミオン / トポロジー

【研究成果の概要】

近年、絶縁体中における新しい情報・エネルギー伝送媒体として、局在電子スピンの集団振動であるスピン波(マグノン)が大きな注目を集めている。本研究では、特殊なトポロジー・対称性を持つ「磁気スキルミオン」と呼ばれる渦状スピン構造に着目し、新しいマグノン輸送現象の実験的な開拓を行った。その結果、(1)マグノンのダイオード効果の観測、(2)フォノン（格子振動）のダイオード効果の観測、(3)新機構に由来した世界最小の直径のスキルミオンを生じる新物質の発見、(4)マグノンのホール効果の観測、といった成果を得ることに成功した。

【研究の社会的意義】

従来のエレクトロニクスで用いられてきた金属中の伝導電子とは異なり、絶縁体中のマグノンには「ジュール発熱に伴うエネルギー損失を生じない」という利点があり、その積極的な活用は、情報処理の高効率化に向けた切り札となる可能性を秘めている。また、マグノンやフォノンは絶縁体における熱流の主要な担い手としても知られており、今回発見されたマグノン・フォノンの非相反伝搬現象とその性能向上のための指針は、効率的な熱制御のための新しい基盤技術の開発につながることが期待される。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】45,760千円 (直接経費: 35,200千円、間接経費: 10,560千円)

【研究分野】物性Ⅱ(実験)

【研究領域課題番号】18F17026 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

spin / Hall / effect / antiferromagnetism / spintronics / topology

【研究成果の概要】

The manipulation of pure spin current has been extensively studied in polycrystalline or single crystalline heavy metals, ferromagnetic metals and their alloys. Recently, strong interests have been focused on antiferromagnets especially the Mn3X alloys. In our work, by using thermal spin injection, we have demonstrated large spin Hall effect in Mn-Sn alloy thin films even in its amorphous phase. Comparing with pure Mn, the Sn doped alloy has a spin Hall angle 20 times larger and resistivity 10 times smaller, and thus the energy consumption is reduced by 4000 times. These results offer a strategy towards future energy efficient spin Hall materials with high spin Hall angle but low resistivity. The summary of this work has been accepted by Physical Review Materials and is among the editor’s suggestions.

【研究種目】特別研究員奨励費

【研究期間】2018-04-25 - 2019-03-31

【配分額】1,100千円 (直接経費: 1,100千円)

【研究分野】物性Ⅱ(実験)

【研究領域課題番号】17F17026 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

spin Hall effect / antiferromagnetism / spintronics / topology

【研究成果の概要】

The recent discovery of the large anomalous Hall effect (AHE) in the non-collinear Kagome antiferromagnets Mn3X has highlighted the compounds and alloys based on the combination of Mn and X. As the spin Hall effect (SHE), and AHE share the same origin, the injection of pure spin current into the alloys based on Mn and X could potentially engender large SHE. In the present work, we report that doping Mn with 18% Sn strikingly increases the spin Hall angle of the amorphous Mn-Sn alloy by as large as 20 times while the resistivity is reduced by 10 times compared with pure Mn. Our study not only serves as essential reference for pure spin current phenomena in Mn-based alloys but may also offer a promising method for exploring future energy saving spin Hall materials. Besides the amorphous films, we have also succeeded in making crystallized Mn3Sn thin films on various substrates which are beneficial for spintronics study. The summarization of parts of the research will be submitted to peer reviewed journal soon.

【研究種目】特別研究員奨励費

【研究期間】2017-04-26 - 2018-03-31

【配分額】1,200千円 (直接経費: 1,200千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】15H05456 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

トポロジー / 強相関電子系 / 物性実験 / キラル磁性体 / モノポール / スピントロニクス / スピンエレクトロニクス

【研究成果の概要】

電気の力の源である粒子(陽子や電子)に対応する、磁石のN極またはS極だけの性質を持った素粒子、すなわち磁気モノポールは未だ発見されておらず、電磁気学では磁気モノポールは存在しないと仮定されて体系化されています。しかし電子の幾何学的位相を利用すれば、物質中に磁気モノポールがあたかも存在しているかのような状況を実現できると理論的に提唱されていました。本研究では、磁石の源であるスピンの集団が織りなす幾何学構造のトポロジーに注目し、磁気モノポールの発現とその対消滅のダイナミクスに伴う電磁気効果を発見しました。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2017-03-31

【配分額】20,930千円 (直接経費: 16,100千円、間接経費: 4,830千円)

【研究分野】応用物性

【研究領域課題番号】26886005 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スキルミオン / スピントロニクス / トポロジー / ホール効果

【研究成果の概要】

本研究は、近年キラルな結晶構造をもつ磁性体において観測されたナノ磁気構造体“スキルミオン”を情報担体として用いた新規不揮発性メモリ開発に向けて実現しなければならない基本動作の1つの書込/消去を実験的に実証することを目的としている。
スキルミオンは数nm-数百nmの大きさの渦状の磁気構造体であり、この磁気構造体の有無により情報記録を、外部刺激を用いたスキルミオンの運動により情報伝達を行えるような次世代記憶媒体の構成要素となり得る潜在性を有している。特に、そのナノメートルスケールのサイズにより情報の高密度化が、小電流駆動性により省電力化がそれぞれ期待されている。さらに、スピン配列のトポロジカルな幾何学的性質から、伝導電子が仮想的な巨大磁場(創発磁場)を受け、トポロジカルホール効果と呼ばれる新奇物性も観測されている。
本研究における平成26年度後期の実績としては、(i) スキルミオンホスト物質FeGeのエピタキシャル薄膜の作製と電子線リソグラフィー法によるナノ加工回路作製の成功、(ii) それらのスキルミオンナノ回路における単一スキルミオンの生成(書込)と消滅(消去)の磁場による制御、(iii) 単一スキルミオン生成消滅過程のトポロジカルホール効果による電気的検出(読出)、(iv) 上記実験成果を論文として出版 [N. Kanazawa et al., Phys. Rev. B 91, 041122(R) (2015).]の4項目が主に挙げられる。これらの結果は、スキルミオンメモリのひな形作製の実験的実証の第一歩であり、現在激しい競争が繰り広げられているスキルミオンメモリ開発に対して重要な意義を示した。

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2014-08-29 - 2015-03-31

【配分額】1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】25287087 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

対称性の破れ / カイラリティ / 磁性 / スピントロニクス / 対称性 / 物質機能 / カイラル磁性体 / カイラルソリトン格子 / スピントロ二クス / 繰り込み群 / 非線形ダイナミクス / 結晶対称性 / スピン位相 / 量子伝導性 / 有限サイズ効果 / トポロジー / 非線形性 / 非対称性

【研究成果の概要】

左右対称性の概念は自然科学のあらゆる分野で重要な役割を果たす。我々は、左右対称性の破れた結晶において実現するカイラルらせん磁性体が、対称性の破れを直接反映する機能性を持つことに着目し、その機構を記述する理論基盤の構築とそれを実験検出に結び付ける指導原理の策定を進めてきた。
本研究の結果、「１軸的らせん磁性体のグローバル相図」、「有限領域に閉じ込めたカイラルソリトン格子の共鳴ダイナミクス」という二つの問題を解明することに成功した。これらの成果は、今後もまだまだ続くと思われるカイラル磁性研究の分野において重要な里程標となる。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】14,560千円 (直接経費: 11,200千円、間接経費: 3,360千円)