Establishment of quasiparticle control method by introducing double hetero interface

磁性体の準粒子であるスキルミオンは、そのサイズが小さいこと、従来のスピンデバイスに比べて低電流で高速に駆動できることから、高データ密度・高速・低消費電力のポテンシャルを持つ。しかしながら、このメリットを同時に実現する事が難く、トリレンマの関係がある。本研究では、重金属と磁性体の界面に新たな層を挿入した二重ヘテロ界面を持つ積層体で、微小サイズを保ちながらも安定したスキルミオンの生成と、低電力で高速な転送を並立するための物性研究を行う。新たな界面を導入することで準粒子スキルミオンの生成メカニズムを拡張した上で、スピンに係る物性値の寄与を定量化し、学理を構築する。はじめに、LLG方程式を解くシミュレーションにより、研究の方針を決定した。具体的には、スキルミオンが安定に生成する条件であるジャロシンスキ守屋相互作用の範囲と、転送速度を上げるための有効パラメータの同定である。具体的には、磁性体のもつ垂直磁気異方性、界面におけるジャロシンスキ守屋相互作用、外部磁場を網羅的に変化することで、現実的な中でのスキルミオン生成条件が分かった。さらに、界面に異種材料を挿入した場合を想定し、界面におけるジャロシンスキ守屋相互作用を変化したときのスキルミオンの生成条件範囲を見出したが、ここで、ジャロシンスキ守屋相互作用によってスキルミオンを安定化すると、そのサイズが大きくなってしまう事が明らかになり、冒頭述べたトリレンマが改めて認識された。したがって、スキルミオンのサイズ・転送速度・定電流の3つを並立するためには更なるパラメータであるスピン軌道トルクを高める物理量、たとえばスピンミキシングコンダクタンス、スピンホール角等を向上し、スキルミオンに与えるスピン軌道トルクを増加することが有効と導くことが出来た。

磁性体の準粒子であるスキルミオンは、そのサイズが小さいこと、従来のスピンデバイスに比べて低電流で高速に駆動できることから、高データ密度・高速・低消費電力のポテンシャルを持つ。しかしながら、このメリットを同時に実現する事が難く、トリレンマの関係がある。本研究では、重金属と磁性体の界面に新たな層を挿入した二重ヘテロ界面を持つ積層体で、微小サイズを保ちながらも安定したスキルミオンの生成と、低電力で高速な転送を並立するための物性研究を行う。新たな界面を導入することで準粒子スキルミオンの生成メカニズムを拡張した上で、スピンに係る物性値の寄与を定量化し、学理を構築する。はじめに、LLG方程式を解くシミュレーションにより、研究の方針を決定した。具体的には、スキルミオンが安定に生成する条件であるジャロシンスキ守屋相互作用の範囲と、転送速度を上げるための有効パラメータの同定である。具体的には、磁性体のもつ垂直磁気異方性、界面におけるジャロシンスキ守屋相互作用、外部磁場を網羅的に変化することで、現実的な中でのスキルミオン生成条件が分かった。さらに、界面に異種材料を挿入した場合を想定し、界面におけるジャロシンスキ守屋相互作用を変化したときのスキルミオンの生成条件範囲を見出したが、ここで、ジャロシンスキ守屋相互作用によってスキルミオンを安定化すると、そのサイズが大きくなってしまう事が明らかになり、冒頭述べたトリレンマが改めて認識された。したがって、スキルミオンのサイズ・転送速度・定電流の3つを並立するためには更なるパラメータであるスピン軌道トルクを高める物理量、たとえばスピンミキシングコンダクタンス、スピンホール角等を向上し、スキルミオンに与えるスピン軌道トルクを増加することが有効と導くことが出来た。