ホイスラー合金におけるスピンダイナミクスの解明と多機能デバイスへの展開

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平成28年度はまず、ホイスラー合金において高効率に磁化ダイナミクスを誘起・検出すること、すなわち「発信」及び「受信」に重点をおいて研究に取り組んだ。高効率化を図る上で特に重要となるのが、材料のスピン分極率、及び熱擾乱への耐性である。そこで、デバイス材料としては高いスピン分極率を有するCo2(Fe,Mn)Si（CFMS）合金を用い、幾何学的に安定な磁区構造である磁気ボルテックスを用いて研究を行った。超高真空対応のマグネトロンスパッタリング装置を用いて高品質なCFMS薄膜を成膜し、電子線リソグラフィー等を用いて直径数百ナノメートルのピラー構造からなるデバイスに加工した。作製したデバイスに直流電流を印加することにより磁化ダイナミクスを誘起し、磁化ダイナミクスによって生じる高周波のシグナルはスペクトラムアナライザを用いて検出した。直径及び高さの異なるデバイスを作製し、実験を重ねていった結果、直径240ナノメートル、高さ30ナノメートル程度のデバイスにおいてCFMS中に安定な磁化ダイナミクスを誘起することに成功した。さらに、CFMS合金のFe-Mn組成比を最適化することによって10.2 nWの高出力（パーマロイなどの既存材料を用いた場合に比べておよそ１万倍）、そしてまた5,000を超えるQ値を得ることに成功した。以上の結果はPhysical Review B誌に掲載された。デバイスから得られた高周波シグナルのより詳細な解析の結果、さらなる高Q実現のためには長周期的なダイナミクスの揺らぎを抑制する必要性が示唆された。そこで、デバイス中に２つの磁気ボルテックスを形成し、それらの静磁結合を利用してダイナミクスの安定化を図った。デバイスの膜構成及び測定条件を最適化することによって、23,000という非常に高い（現在世界最高）Q値を得ることに成功した（論文準備中）。