Control of supercurrent utilizing van der Waals devices with a twisted magnetization structure

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本課題では、機械的剥離法により薄膜素子が作製可能である、原子層らせん磁性体CrNb3S6や原子層強磁性体Fe5GeTe2に着目し、超伝導体との接合素子を作製することで、超伝導電流を用いた新機能の実現を目指します。磁性体と超伝導体の接合界面近傍に、磁化のねじれた構造が存在する場合、スピン量子化軸の空間的な変化に起因して、スピン三重項超伝導電流が発現することが知られています。そこで本研究では、外部磁場を用いて、CrNb3S6のらせん周期や、Fe5GeTe2の表面・界面におけるジャロシンスキー・守谷相互作用を変調することで、磁化のねじれ構造を利用した超伝導電流のスピン状態の制御ができると考えました。前年度までで、Fe5GeTe2の磁化ダイナミクスやスピン軌道相互作用等の、デバイス性能に直結する特性の評価を行ったところ、Fe5GeTe2の磁気状態を反映してこれらの信号が大きく変調できることが分かりました。これはFe5GeTe2を用いた接合素子の実現・機能化に向けて当初の想定以上の進展でした。そこで令和4年度は、Fe5GeTe2自身の磁気特性やデバイスとしての性能をより詳細に評価するために、①スピン変換特性の評価や、②Fe原子のCo置換による物性制御を行いました。その結果①では、Fe5GeTe2のスピン変換特性が、PtやWなどの典型的なスピン変換材料と比べて遜色ない性能であり、磁気変調による制御性を併せ持つことを実証しました。②では、Co置換を行うことで、薄膜素子においても磁気異方性や磁性相が大きく変調できることや、バルク試料では現れなかった磁気ヒステリシスが、46%置換を行った薄膜で発現することを明らかにしました。