新奇スピン軌道トルクを用いた無磁場下での高効率垂直磁化反転の実証

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電流印加によるスピン軌道トルクは新たな磁化制御技術であり、次世代の磁気メモリの書き込み手法への展開が期待されている。スピン軌道トルクの物理的背景は電荷-スピン流変換現象であり、非磁性材料におけるスピンホール効果を中心として盛んに研究されている。本研究では、非磁性材料に代わり強磁性材料を電流-スピン流変換現象の舞台として注目する。強磁性材料では、自身が磁化による付加的な対称性の破れを有していることから、異なる対称性を有したスピン流生成が可能となる。この新奇な電流-スピン流変換現象を用いたスピン軌道トルクを用いることで無磁場下での垂直磁化反転等の磁化ダイナミクスも期待され、本課題の目標となっている。本年度では昨年度にて確立した定量評価手法を駆使することで、膜面直方向に磁化した強磁性材料(垂直磁化材料)における電荷-スピン流変換機構の解明・高効率化に向けた指針探索を行った。まず、界面バンド構造制御を介した精密な評価を行った結果、垂直磁化材料と非磁性スペーサー層との界面にて生じる機構が支配的であることを見出し新奇スピン軌道トルクの生成効率を大きく向上させることに成功した。また、膜厚依存性から界面効果を抑制する方向に働く別の機構が働いていることが判明し、強磁性体内部に生じるスピンホール効果と磁化との交換相互作用によって生じるバルク由来の新たな機構を提唱した。本成果は現在論文投稿中である。また、垂直磁化材料として用いたCo/Ni多層膜が比較的大きなスピンホール効果が生じていることに着想を得て、ニッケルにおけるスピンホール効果の定量評価を行った。その結果、アモルファス構造を有したNi合金にて重金属元素と同程度のスピンホール効果が生じることを明らかにし、重金属フリーかつ高効率なスピンホール材料を提案することに成功した。