NiO挿入によるBiSbトポロジル絶縁体のスピンホール性能の向上に関する研究成果はJapanese Journal of Applied Physics誌に掲載されました。本研究はサムスン日本研究所との共同研究の成果です。

Julian Sasaki, Shota Namba, Shigeki Takahashi, Yoshiyuki Hirayama, and Pham Nam Hai,  “Highly efficient spin current source using BiSb topological insulator / NiO bilayers”, Jpn. J. Appl. Phys. 62, SC1005 (2023).

本研究では、下部層としてのBiSbとCo磁性薄膜の間にNiOを挿入すると、BiSbからCoへのSb拡散を抑制し、BiSbの有効なスピンホール角が大幅に改善すること、また、Coが垂直磁気異方性を示すことを見だしました。本成果はBiSbトポロジカル絶縁体をSOT-MRAMへの集積する際に、重要な技術である。

次世代HDD用磁気センサーに向けた新技術「SOT磁気センサー」を実現するためのBiSbトポロジカル絶縁体/面内磁化膜における巨大なスピンホール効果に関する研究成果はIEEE Transactions on Magneticsに早期アクセスとして掲載されました。本成果はHDD大手メーカーのWestern Digital Inc.社との共同研究の成果です。

H. H. Huy, J. Sasaki, N. H. D. Khang, S. Namba, P. N. Hai, Q. Le, B. York, C. Hwang, X. Liu, M. Gribelyuk, X. Xu, S. Le, R. Nagabhirava, M. Ho and H. Takano, “Large spin Hall angle in sputtered BiSb topological insulator on top of various ferromagnets with in-plane magnetization for SOT reader application”, IEEE Trans. Magn. 59, 3000904/1-4 (2023)

MoS2における磁気抵抗効果の研究成果がScientific Reports誌に掲載されました。本論文は若林研究室の宗田伊理也氏との共同研究の成果です。

Iriya Muneta, Takanori Shirokura, Pham Nam Hai, Kuniyuki Kakushima, Kazuo Tsutsui, and Hitoshi Wakabayashi, “Ferromagnetism modulation by ultralow current in a two-dimensional polycrystalline molybdenum disulphide atomic layered structure”, Scientific Reports 12, 17199 (2022).

MnGa磁性体のバンド構造を光電子分光法を用いて観測した研究成果がPhysical Review Materialsに掲載されました。本研究は東大の小林グループとの共同研究です。

M. Kobayashi, N. H. D. Khang, T. Takeda, K. Araki, R. Okano, M. Suzuki, K. Kuroda, K. Yaji, K. Sugawara, S. Souma, K. Nakayama, K. Yamauchi, M. Kitamura, K. Horiba, A. Fujimori, T. Sato, S. Shin, M. Tanaka, and P. N. Hai, “Rhombic Fermi surfaces in a ferromagnetic MnGa thin film with perpendicular magnetic anisotropy”, Phys. Rev. Materials 6, 074403 (2022).

MnGaはスピン軌道相互作用が強い元素を含まないにもかかわらず、非常に強い垂直磁気異方性（~4-5 Tesla）を有する磁性体です。また、他の重金属やトポロジカル絶縁体と界面において、強いDMI相互作用やスキルミオンの発生など、顕著な特性を持っています。今回に、光電子分光法を用いてMnGaのバンド構造を解明しました。その結果、X点において、電子のポケットの存在することを明らかにしました。

トポロジカル半金属YPtBiにおけるスピンホール効果の組成依存性を評価した研究成果がJapanese Journal of Applied Physics誌に掲載されました。本成果はキオクシア株式会社との共同研究による成果です。

Takanori Shirokura , Tsuyoshi Kondo, and Pham Nam Hai, “Effect of stoichiometry on the spin Hall angle of the half-Heusler alloy topological semimetal YPtBi”, Japanese Journal of Applied Physics 61, 073001 (2022).

今回の研究では、YPtBi組成ずれがあっても、スピンホール効果ー伝導率の関係がほとんど変わらないことが分りました。つまり、YPtBiのスピンホール効果は組成ずれに対して、ロバストであることを示しました。

BiSbトポロジカル絶縁体の巨大スピンホール効果を生かして、ナノ秒台の超高速超低消費電力磁化反転を実証した研究成果がApplied Physics Letters誌のEditor’s pickとして掲載されました。なお、本成果は東工大-NHK放送技術研究所との共同研究によるものです。

Nguyen Huynh Duy Khang, Takanori Shirokura, Tuo Fan, Mao Takahashi, Naoki Nakatani, Daisuke Kato, Yasuyoshi Miyamoto, and Pham Nam Hai, “Nanosecond ultralow power spin orbit torque magnetization switching driven by BiSb topological insulator”,  Appl. Phys. Lett. 120, 152401 (2022)

図（a）超高速磁化反転を実証するための膜構造。（b）作製した素子の写真。（c）-（f） パルス幅 1～4ナノ秒のパルス電流を掃引した時の磁化反転。（g） 3ナノ秒の正負のパルス電流（1.3×10⁷ A/cm²）をBiSbに連続的に印加した時の磁化反転。（h） 1ナノ秒から1ミリ秒まで、様々なパルス電流を印加した時の磁化反転に必要な閾値電流密度。

プレスリリース：トポロジカル絶縁体による磁性体の超高速磁化反転に成功～超高速スピン軌道トルク磁気抵抗メモリの実用化へ加速～

スパッタリング製膜したトポロジカル絶縁体BiSb膜でスピンホール角>10を達成した研究成果がScientific Reports誌に掲載されました。

Tuo Fan, Nguyen Huynh Duy Khang, Soichiro Nakano, Pham Nam Hai, “Ultrahigh efficient spin orbit torque magnetization switching in fully sputtered topological insulator and ferromagnet multilayers”, Scientific Reports 12, 2998 (2022).

今回の研究では、高配向性BiSbを作製することによって、量産工程でよく使われているスパッタリング法で製膜したトポロジカル絶縁体BiSbでも、高スピンホール角～10.7および高電気伝導率~1.5×10⁵ Ohm^-1 m^-1を達成し、スピン流源としてよく使われている重金属のWよりも300倍少ない消費電力で磁化反転を実証しました（下記の表の一番右のコラム）。

表：様々な材料のスピンホール角、電気伝導率、スピンホール伝導率、および磁化反転の消費電力（規格化）。

キオクシア株式会社との共同研究で、高スピンホール効果と高熱耐久性を両立できるトポロジカルハーフホイスラ合金の一種であるYPtBi合金に関する研究成果がScientific Reports誌に掲載されました。

Takanori Shirokura, Tuo Fan, Nguyen Huynh Duy Khang, Tsuyoshi Kondo & Pham Nam Hai, “Efficient spin current source using a half-Heusler alloy topological semimetal with back end of line compatibility”, Scientific Reports 12, 2426 (2022). 

今回の研究では、トポロジカルハーフホイスラ合金を用いることで、トポロジカル絶縁体と同じ巨大なスピンホール角(最大4.1)を示しながら、600℃にも及ぶ高熱耐久性を実現しました。

図（a）V-VI族に基づいた従来型のトポロジカル絶縁体の結晶構造（左）とそのエネルギーバンド構造（右）。（b）今回の研究対象のトポロジカルハーフホイスラ合金の結晶構造（左）とそのエネルギーバンド構造（右）。（c）スパッタリング法で製膜したYPtBi膜におけるBi組成比の成膜温度依存性。YPtBi膜と磁性体CoPt膜のヘテロ接合膜での、磁化反転の実験における、（d）パルス電流印加シーケンス、および(e)それに対応する磁化反転の結果。青の点は電流に対して平行に0.5kOeの外部磁場を印加した際の、赤の点は反平行に0.5kOeの外部磁場を印加した際の磁化反転の結果に対応している。

プレスリリース：高スピン流生成効率と高熱耐久性を両立する新材料の開発に成功
～超低消費電力な不揮発性メモリの実用化加速へ～

強磁性半導体p-n接合における巨大な磁気抵抗効果に関する研究成果がJournal of Applied Physics誌に掲載されました。

Nguyen Thanh Tu, Tomohiro Otsuka, Yuto Arakawa, Le Duc Anh, Masaaki Tanaka, and Pham Nam Hai, “Spin transport in fully ferromagnetic p–n junctions”, Journal of Applied Physics, 131, 013902 (2022).

本研究では、p-型(Ga,Fe)Sb/n-型(In,Fe)Sb或いはn-型(In,Fe)Asの鉄系強磁性半導体のp-n接合 を作製し、そのスピン依存伝導特性を評価したところ、スピンバルブ効果による負の磁気抵抗効果およびスピン分裂効果による正の磁気抵抗効果を観測した。特に、p-型(Ga,Fe)Sb/n-型(In,Fe)Asの接合では、500%を超える巨大な磁気抵抗効果が実現できた。本研究では、半導体の最も基本的なデバイスであるp-n接合において、巨大な磁気抵抗効果を実現することで、今後の半導体デバイスにおけるスピン機能の導入が期待できる。

図(a)強磁性半導体p-n接合の構造と(b)メージャーループ(上)とマイナーループ(下)における巨大な磁気抵抗効果

博士課程の白倉君の磁気熱電効果を取り入れたスピン軌道トルクの精密な測定手法の提案と実証に関する研究成果がApplied Physics Letters誌に掲載されました。また、優れた論文に贈られるEditor’sPickに選出されました。

Takanori Shirokura and Pham Nam Hai, “Angle resolved second harmonic technique for precise evaluation of spin orbit torque in strong perpendicular magnetic anisotropy systems”, Applied Physics Letters 119, 222402 (2021).

今回の研究では、様々な磁気熱電効果を取り入れることでスピン軌道トルクを正確に評価できる方法を開発しました。スピン軌道トルクはスピンホール効果を用いて、磁性体の磁化反転を行う方法です。スピン軌道トルクは従来の方法よりも低消費電力で磁化を制御可能であるため、次世代不揮発メモリの一種である磁気抵抗メモリやマイク口波発振器など、様々なスピントロニクスデバイスヘの応用が期待されています。
低消費電力なデバイスを開発するためにはスピン軌道材料のスピン軌道トルクを正確に評価することが重要ですが、スピン軌道トルクの評価によく使用されている二次高調波法は測定時に発生した様々な磁気熱電効果の影響を受けるという欠点があり、この事実もあまり知られていませんでした。
今回の研究では理論的及び実験的にこの欠点を指摘し、磁気熱電効果を含むより一般化された角度分解二次高調波法を開発することで、より高精度なスピン軌道トルクの評価を可能にしました。本研究により、スピン軌道トルクを用いたデバイス開発及びスピン軌道材料開発が加速されることが期待されます。

熱流と磁場あるいは磁化の存在によって、起雷力が発生できる磁気熱電効果