Synthesis of Chiral Crystal Thin Films and Exploration of Chiral Spintronics

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19世紀のコイルの誕生によって、電磁誘導による発電、インダクタ、非接触充電や長距離通信といった様々な機能が実現されてきた。コイルは、抵抗やキャパシタと同様に電気回路の基本素子として現代のエレクトロニクスを支えている重要な要素である。本研究は、キラル/ヘリカルな原子構造やスピン構造を利用して、コイルの機能に量子力学的効果を付与し、新しいスピントロニクス機能を生み出すことを目的としている。初年度である2022年度は、主にキラルな結晶構造を持つFeSiにおける室温での電流による磁化スイッチング機能の室温動作の実現とヘリカルスピン構造の電流誘起ダイナミクスに由来したインダクタンスの微視的機構に対する実験的評価を行った。前者については、FeSiのエピタキシャル薄膜合成に成功し、(111)表面のキラルな対称性に由来して外部磁場なしでも決定論的磁化スイッチング機能を実現することができた。この物質設計指針を用いることによって、MRAMといった次世代不揮発メモリのデバイス構造を単純化できる可能性を示した。一方で後者については、高温(室温付近)で短周期らせん磁気構造を示すカゴメ格子磁性体において、磁性不純物サイトの導入によってどのようにインダクタンス応答の強度や符号が影響を受けるかを、小角中性子散乱実験を行うことで実験的に解明した。特に室温付近において共線的反強磁性スピン構造でも熱ゆらぎによって非共線的なスピンダイナミクスが生じ、インダクタ機能が発現することを示唆することができた。