【研究領域課題番号】22K20353 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

トポロジカル半金属 / 薄膜 / 量子輸送現象 / 磁性 / スピントロニクス

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2022-08-31 - 2024-03-31

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

【研究領域課題番号】19K05246 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

Magnetoelectric effect / Condensed matter theory / Magnetism / Spintronics / Transition metal oxides / High-Tc magnetism / Materials physics / Magnetoelectricity / Quantum modelling / Magnetic semiconductors / Frustrated magnets / Ferroelectricity / Hexagonal complex oxides / Theory of materials / magnetic semiconductors / frustrated magnets / magnetoelectricity / ferroelectricity

【研究成果の概要】

本プロジェクトは、デバイス応用をにらんで、大きな磁化と新奇な電気磁気相互作用を持つ六方晶YMnO3型または類似構造を持つ酸化物磁性体を探索した。具体的な成果は以下の通りである。
１LuFeO3型システムにおいて、電場誘起スピン再配列と180°の電気磁気スイッチングを起こす、新しいコリニア型フェリ磁性を実現する方策を立案した。２(LuFeO3)m/(LuFe2O4)超格子の室温マルチフェロイック挙動の微視的なメカニズムを提案した。３.Co置換BiFeO3のスピン状態と強磁性発現の関係を提唱した。４．斜方晶鉄酸化物、クロム酸化物におけるスピン再配列の微視的モデルを提唱した５．室温極性金属を設計した。

【研究の社会的意義】

Our research provides a possible answer to the present quest for the multiferroic and Magnetoelectric system that can exhibit large magnetization and efficient magnetization control by the external means, for the potential application in novel devices such as voltage-controllable magnetic memories.

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2019-04-01 - 2022-03-31

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

【研究領域課題番号】19K22093 (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 / ナノ構造 / 磁性 / 誘電率 / 光学

【研究成果の概要】

絶縁体中に磁気ナノ微粒子が分散した磁気グラニュラー素子は、磁気抵抗効果、磁気誘電効果、ファラデー効果など、磁性、誘電性、光に関連した興味深い現象を示す。本研究課題では、2次元磁気ナノグラニュラー素子において、光照射磁気誘電現象の発現を目指すととも、そのメカニズムを明らかにすることを目的とした。その結果、本素子において、光抵抗効果、及び光キャパシタンス効果の観測に成功した。また、それぞれの実験結果はQuantum-mechanical tunneling (QMT)模型とDebye-Frohlich(DF)模型による計算結果と良い一致を示した。

【研究の社会的意義】

本研究成果は、光学、磁性、誘電性が互いに融合した新たな学際領域を創出させると同時に、次世代超高感度・低消費電力磁気メモリ素子の実現に向けた新しい設計指針を与えるものと期待できる。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2019-06-28 - 2022-03-31

【配分額】6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)

【研究領域課題番号】18K14112 (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 / 超伝導 / スピントリプレット / スピン軌道相互作用 / 磁性

【研究成果の概要】

本研究では、超伝導スピントロニクスを目指して、強いスピン軌道相互作用を持つタングステンにおいてみられる超伝導状態について研究を行った。その結果、タングステンの超伝導状態においては、通常のスピンシングレットの超伝導体においてみられるスピン吸収の抑制がみられないことが明らかになった。また、窒化モリブデンとの積層構造においては、超伝導転移温度の上昇がみられることがわかった。更に、強磁性体コバルトとの近接効果を調べたところ、タングステン上では窒化モリブデンに比べて臨界磁場が大きくなることが明らかになった。

【研究の社会的意義】

社会の情報化が高度に発展する中で、従来の半導体デバイスを超えるような高効率な情報処理方法が模索されている。その中で現れてきたスピントロニクスや量子情報といった分野に貢献するべく、本研究は行われた。今回取り扱った超伝導体におけるスピン輸送については新たな情報処理技術につながる可能性があるものの未解明な部分があり、本研究の成果はその理解を進めることになると期待される。

【研究種目】若手研究

【研究期間】2018-04-01 - 2020-03-31

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

【研究領域課題番号】18K04710 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

磁性 / ナノシート / 磁性体 / 磁気物性 / 光化学反応 / 無機ナノシート / 光物性 / スピントロニクス

【研究成果の概要】

本研究課題では、次世代を担うスピントロニクスデバイスの開発を目指し、磁性を示す層状化合物、ならびにそれらを単層剥離させた磁性ナノシートを創出した。
磁性イオンを含む層状複水酸化物 (LDH) に関し、(i) 異種LDHの複合化によって負の次期交換相互作用が発現すること、(ii) 半導体ナノシートとの複合化によって磁気物性を光変調できること、を見いだした。
磁性イオンを含む遷移金属トリカルコゲナイドに関しては、(i) 合成時における緩やかな温度勾配をつけた長時間の焼成、(ii) 単層剥離時における塩基存在下・高極性溶媒中での超音波照射、が効果的であることを見いだした。

【研究の社会的意義】

本研究課題においては、「無機ナノシートが真に次世代エレクトロニクスを支える基幹物質となりうるか」を命題に掲げ、未解明な部分が多い無機ナノシートの磁気物性の開拓に焦点を当てた。
異なる物性を有する磁性層状複水酸化物ナノシートを巧妙に組み合わせることによって、単体では発現しない磁気物性を発現させることに成功したことは学術的にも社会 (産業) 的にも意義深いと言える。
また、スピントロニクス分野への応用に資する磁性リントリカルコゲナイドナノシートの合成に対する重要な知見を得たことは、今後の学際領域研究の発展に対して寄与するところが少なくないと言える。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

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

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】17H02924 (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 / トポロジカル磁気テクスチャ / 非平衡ダイナミクス / マイクロ波応答 / 磁気メモリ / トポロジカル磁性 / 非平衡現象 / スピン起電力 / スピン波励起 / 磁性 / トポロジカル / エレクトロマグノン / 負熱膨張 / DM相互作用

【研究成果の概要】

トポロジカル磁気テクスチャである「磁気スキルミオン」が示す非平衡現象や量子輸送現象を理論的に多数明らかにした。特に、「マイクロ波によるスキルミオンの並進運動駆動」や「スキルミオンを使ったマイクロ波-直流電圧変換」、「駆動された強磁性磁壁中に発現する動的スキルミオン状磁気構造」など、物性物理やスピントロニクス分野における基礎物理と技術応用の両方の観点から重要な発見である。また、磁場や電場、円偏光マイクロ波などによりナノスケールのスキルミオンを素子中に意図した数、意図した場所に書き込む技術の理論設計・提案は、次世代の高性能磁気メモリ素子への応用に向けた重要な基盤技術となると考えられる。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】19,110千円 (直接経費: 14,700千円、間接経費: 4,410千円)

【研究分野】応用物性

【研究領域課題番号】16H06332 (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 / 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 / 表面・界面

【研究成果の概要】

界面原子層成長制御、磁気分光、第一原理計算を結集することにより、界面スピン軌道結合を微視的に解明し、その学術基盤の構築とデバイス応用を狙った。まず、教科書の記述の更新につながる成果としては、界面磁気異方性の微視的理解であり、物質系ごとに軌道磁気モーメントの異方性と軌道四極子それぞれの役割を直感的理解とともに明らかにした。界面原子層成長制御が一層の進歩を遂げ、室温の世界記録となる異方性トンネル磁気抵抗効果や、Fe/MgO/Fe(001)接合のトンネル磁気抵抗効果の倍増にも成功した。この他、可逆歪場を利用した新規磁気分光法や、Rashba型スピン軌道相互作用に関する成果も得た。

【研究の社会的意義】

界面の研究では、試料品質によって結果が大きく異なってくることが多い。本研究では、高品位試料作製技術と磁気分光、理論解析が一体化することによって、well-definedな界面での研究を可能とし、界面でのスピン軌道結合の微視的理解を推し進めた。教科書の改訂につながる成果を挙げており、学術基盤の構築という意義を有する。社会的意義としては、従来よりもはるかに大きなTMRやTAMRを実現しており、今後のスピントロニクス応用における貢献が期待できる。省エネやAI技術を含む次世代情報通信技術に資するものである。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2016-05-31 - 2021-03-31

【配分額】188,500千円 (直接経費: 145,000千円、間接経費: 43,500千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】16K13827 (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 / スピン流 / 量子スピン系 / スピン液体 / スピノン / マヨラナ粒子 / キタエフ模型 / スピンエレクトロニクス / 低温物性 / 磁性

【研究成果の概要】

本研究課題では、量子スピン液体状態に特有なスピン励起（スピノン、マヨラナ粒子）を用いたスピン流の実験的開拓を目指して研究を行った。典型的な一次元量子スピン系銅酸化物Sr2CuO3においてはスピノン励起の存在が実験的に確立されており、本研究ではSr2CuO3に温度勾配を印加することでスピノンスピン流が生成されることをスピンゼーベック効果測定を用いて実証した。さらに、非常に最近特に興味をもたれているキタエフ模型スピン液体物質RuCl3において、同じく温度勾配を利用して生成したマヨラナ粒子の流れを、熱伝導率測定を用いて観測した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)

【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】15K13358 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

SPM / スピン物性 / スピントロニクス / スピン / プローブ / 純スピン流 / 表面・界面物性 / 磁性 / 走査プローブ顕微鏡

【研究成果の概要】

電荷電流を伴わない純スピン流を任意の場所に注入できる純スピン注入プローブの開発を行った。プローブ先端からスピン拡散長以内の距離に強磁性体・常磁性体を作成し、界面に流す電流を回収することで試料にはスピン流のみを流すことが可能となった。また、このプローブを用いて逆スピンホール効果を測定することで純スピン注入の実証を行った。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2015-04-01 - 2017-03-31

【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

【研究領域課題番号】15H02012 (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 / スピン流 / スピンゼーベック効果 / スピンペルチェ効果 / マグノン / フォノン / 異常エッチングスハウゼン効果 / ロックインサーモグラフィ / 磁性材料 / スピンエレクトロニクス / 磁性 / 誘電体物性 / 熱工学

【研究成果の概要】

スピントロニクスとフォノニクスの融合により、熱スピン変換の高性能化・自在制御に資する物理と材料技術を開拓した。主な研究対象は、熱流からスピン流を生成するスピンゼーベック効果と、その逆効果であるスピンペルチェ効果である。スピンゼーベック効果の系統的な測定により、ナノ構造化によるマグノン・フォノン伝搬の独立制御、及び磁気弾性結合を介した熱的スピン流生成を実現した。さらにロックインサーモグラフィ法に基づく熱スピン効果のイメージング計測技術を確立し、スピン流に空間的に局在した温度変化が伴うことを見出した。これらの成果は、フォノニクスを取り込んだ次世代スピントロニクスの基盤となることが期待される。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】42,770千円 (直接経費: 32,900千円、間接経費: 9,870千円)

【研究分野】応用物性

【研究領域課題番号】26286041 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピンエレクトロニクス / 熱工学 / 排熱利用 / エネルギー効率 / 磁性 / エネルギー効率化 / スピン波 / 磁気共鳴 / 赤外線カメラ / スピントロニクス / スピンホール効果

【研究成果の概要】

先ず、スピン波熱移送効果の原理の解明に取り組み、イットリウム鉄ガーネット(YIG)磁性体試料において励起スピン波の周波数依存性を観測した。励起スピン波において、低周波数では試料端でのスピン波熱移送効果が観測されるが、高周波数ではより試料内側に効果がシフトして観測されることを明らかにした。続いてスピンホール効果によるスピン波熱移送効果の制御を試みた。YIG試料上に製膜されたプラチナ薄膜やタングステン薄膜へ電流を印加し、スピンホール効果によるスピン注入による熱移送量の変調に起因する可能性のある温度の変調信号を赤外線カメラにより観測することに成功した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】16,120千円 (直接経費: 12,400千円、間接経費: 3,720千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】26870086 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

トポロジカル絶縁体 / トポロジカル結晶絶縁体 / スピン軌道相互作用 / 2次元伝導 / メゾスコピック / 光電子分光 / 磁性 / MBE / 角度分解光電子分光 / 磁性半導体 / 狭ギャップ半導体 / ワイル半金属 / 時間反転対称性 / スピントロニクス / 半導体 / 弱反局在効果 / ディラックコーン / 強磁性

【研究成果の概要】

本研究ではトポロジカル結晶絶縁体(TCI)において、その鏡映対称性がもたらすトポロジカル表面状態（TSS）について、磁性元素の添加による影響を探ることを目指した。まずは高品質単結晶薄膜SnTeにおいて2次元弱反局在効果を観測し、それがTSS由来であることを明らかにした。また補償元素Sb添加を行った所、バルクキャリア低減と、さらにp型・ｎ型両タイプの作製に成功した。その試料において角度分解光電子分光測定を行った結果、TSS由来のディラックコーンの観測に成功した。またSnTeへの磁性元素Mnのドーピングによって強磁性化することにも成功し、低Mn濃度試料では強磁性とTSSが両立しうることを示した。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】26610109 (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 / 磁性

【研究成果の概要】

本研究では、粒子性を伴った渦状のスピン構造体「スキルミオン」の共鳴振動を駆動することで、量子力学的なベリー位相に由来して伝導電子が感じる創発電場（スピン起電力）を実験的に検出することを目的としている。70ナノメートル程度の直径のスキルミオンを伴ったキラルな結晶構造の強磁性金属FeGeに焦点を絞って、磁気共鳴と同じ周波数で発現するスピン起電力の測定を試みた。この結果、スキルミオン磁気相において、磁気共鳴の条件下においてのみ、実際に50μV程度（電極間距離は10μm、磁場振幅は1Oe程度）の起電力が発現することを発見した。この大きさは、理論的に予測されている値と概ね符合する結果となっている。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2014-04-01 - 2016-03-31

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】26400328 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

磁気光学効果 / 軟X線 / 自由電子レーザー / 磁性体 / スピンダイナミクス / カー効果 / 共鳴磁気光学カー効果 / スピントロニクス / 高次高調波レーザー / 磁気光学 / 磁性 / レーザー / 放射光

【研究成果の概要】

物質の磁性情報を取得できる磁気光学カー効果(MOKE)について、プローブ光の波長を吸収端に合わせるとカー回転角が通常の可視光測定に比べて何10倍も大きくなることを我々は発見した(共鳴磁気光学カー効果, 共鳴MOKE)。この方法は元素選択性や大きな磁性信号、そして超高速時間分解測定の可能性が高いことから、本研究では分析法としての技術開発を行った。その結果、自由電子レーザーなどの次世代超短パルス軟X線源と組み合わせることで、化合物磁性体の超高速スピンダイナミクスを元素選択的に追跡するができ、さらに厚さ< 1nmのFe超薄膜を含むヘテロ構造体におけるFe スピンのフェムト秒時間分解測定に成功した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)

【研究分野】機能物性化学

【研究領域課題番号】25220803 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

磁性 / キラル磁性 / 先端機能デバイス / 結晶育成 / スピントロニクス / 分子性キラル磁性 / キラルヘリカル磁気構造 / キラルスピンソリトン格子 / スピン位相オーダー / ＤＭ相互作用 / キラル結晶設計 / スピンエレクトロニクス / 結晶成長 / 一軸性キラリティ / トポロジカル効果 / キラル結晶成長

【研究成果の概要】

キラル磁性体の結晶育成では、分子性キラル磁性体では左右作り分けを含め、育成方法を確立した。無機キラル磁性体では、溶液からの結晶化、フラックス法、レーザーFZ、単一キラルドメイン結晶の育成に成功した。現在では最大数cmのキラル単一ドメイン結晶について、共同研究者に測定サンプルとして提供している。キラル磁性体のスピン位相整列による新規物性では、磁化の離散性、磁気抵抗の離散効果など発見し、論文発表、文科省での記者会見を行った。キラルスピン構造の左右確定についても、偏極中性子線回折によって明らかにした。その結果、構造の左右とスピン構造の左右について実験的に確定した。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2013-05-31 - 2018-03-31

【配分額】240,630千円 (直接経費: 185,100千円、間接経費: 55,530千円)

【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)

【研究分野】応用物理学一般

【研究領域課題番号】24860014 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ゲート素子 / スピントロニクス / 電界効果 / 磁性 / イオン液体 / 強磁性 / カルコゲナイド / 磁性半導体 / 酸化膜 / 界面効果 / 磁気異方性

【研究成果の概要】

本テーマでは低消費電力で高速・大容量の情報処理・通信に向けたスピンデバイス開発を目指して、高いキュリー温度を示す磁性半導体におけるゲート電圧印加による磁性制御を目指した。まず磁化曲線の明確なカルコゲナイド強磁性薄膜Cr1-δTeにおいて、イオン液体を用いたゲート素子を作製しその磁性を制御することに成功した。その技術を応用し室温強磁性を示す(Zn,Ct)Teにおいて、保磁力の大きさをゲート電圧によって可逆的に変化させることに成功した。またこれによって、(Zn,Cr)Teの強磁性機構の手がかりを得ることができた。

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2012-08-31 - 2014-03-31

【配分額】2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】24560001 (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 / 物性理論 / 第一原理計算 / 磁性 / スピン輸送

【研究成果の概要】

スピン量子十字構造素子なるものを提案し、それをモデルデバイスとして、スピン伝導の計算を行った。本研究課題では、近年話題になっているバルクとしては絶縁体で、表面は金属であるという奇妙な性質を有するトポロジカル絶縁体を電極に用いた場合のスピンコンダクタンスを計算した。トポロジカル絶縁体のバンド構造は、時間反転対称性で決まっているため、これを制御するために、表面に時間反転対称性を破る磁性絶縁体を蒸着したモデルを考え、その磁化の関数として、スピンコンダクタンスを計算した。その結果、磁化によって、スピンコンダクタンスを制御することが可能であることが分かり、新規なスピン素子として有望である事が判明した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円)

【研究分野】量子ビーム科学

【研究領域課題番号】24310072 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピン / 陽電子 / スピントロニクス / 磁性 / 表面 / ハーフメタル / 原子空孔 / ポジトロニウム / スピン偏極陽電子 / 電子運動量分布 / 陽電子消滅寿命 / 電子スピン / 強磁性体 / 電流誘起スピン蓄積 / ラシュバ効果 / 原子空孔誘起強磁性 / ホイスラー合金 / 原sに空孔誘起強磁性 / 陽電子消滅 / スピン偏極 / 陽電子ビーム / 表面磁性 / 第一原理計算

【研究成果の概要】

3d及び4f強磁性金属のスピン偏極陽電子消滅実験を通じて、その手法の基礎を構築した。さらにその応用研究の結果、(i)ホイスラー合金Co2MnSiとNiMnSbが高いハーフメタル性を持っていること、(ii)Pd,Pt,Ta,W及びBi/Ag最表面において電流駆動によるスピン偏極が起こること、(ii)ZnOとSnO2中のカチオン空孔に外部磁場で揃う磁気モーメントが付随すること、などを見出した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】14,170千円 (直接経費: 10,900千円、間接経費: 3,270千円)