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Han, J.*; 内村 友宏*; 荒木 康史; Yoon, J.-Y.*; 竹内 祐太郎*; 山根 結太*; 金井 駿*; 家田 淳一; 大野 英男*; 深見 俊輔*
Nature Physics, 20(7), p.1110 - 1117, 2024/07
被引用回数：2 パーセンタイル：87.91(Physics, Multidisciplinary)量子状態の幾何学的構造を特徴づける基礎的な量として、「量子計量」と「ベリー曲率」が存在する。ベリー曲率は、凝縮系において多種の重要な現象に寄与することが知られている。一方、量子計量も新たなトポロジカル物理現象の起源となることが予想されているが、特に常温常圧下においては、その効果はほとんど探索されていない。本研究では、トポロジカルカイラル反強磁性体Mn
Snと白金の接合系を用い、界面でのナノスピン構造を介して、電子系の量子計量構造の制御に成功した。ベリー曲率ではなく量子計量特有の効果として、時間反転反対称でかつ電子散乱に対して頑強な、二次非線形ホール効果を測定した。更に、界面スピン構造は弱磁場及び界面スピン軌道相互作用によって急峻に変調されるため、量子計量構造も鋭敏に制御可能であることを示した。本研究成果により、量子状態に内在する量子計量構造を活用したトポロジカル物理現象が室温環境下でも可能になり、且つ応用面においても非線形素子を構築する助けとなることが期待される。
Sn nanodot佐藤 佑磨*; 竹内 祐太郎*; 山根 結太*; Yoon, J.-Y.*; 金井 駿*; 家田 淳一; 大野 英男*; 深見 俊輔*
Applied Physics Letters, 122(12), p.122404_1 - 122404_5, 2023/03
被引用回数：3 パーセンタイル：58.64(Physics, Applied)
-MnSn, an antiferromagnet having a non-collinear spin structure in a kagome lattice, has attracted great attention owing to various intriguing properties such as large anomalous Hall effect. Stability of magnetic state against thermal fluctuation, characterized in general by the thermal stability factor 
, has been well studied in ferromagnetic systems but not for antiferromagnets. Here we study of the antiferromagnetic MnSn nanodots as a function of their diameter 
. To obtain , we measure the switching probability as a function of pulse-field amplitude and analyze the results based on a model developed by accounting for two and six-fold magnetic anisotropies in the kagome plane. We observe no significant change in down to 
nm below which it decreases with . The obtained dependence is well explained by a single-domain and nucleation-mediated reversal models. These findings provide a basis to understand the thermal fluctuation and reversal mechanism of antiferromagnets for device application.
舩津 拓也*; 金井 駿*; 家田 淳一; 深見 俊輔*; 大野 英男*
Nature Communications (Internet), 13, p.4079_1 - 4079_8, 2022/07
被引用回数：7 パーセンタイル：59.05(Multidisciplinary Sciences)外部摂動によるエネルギー配置の変調は、アレニウスの法則によって記述されるさまざまな熱活性化現象を支配している。スピン移行トルク(STT)によるナノスケールの磁気トンネル接合の熱ゆらぎの利用は、非従来型計算機の可能性を示しているものの、ネール・アレニウス則に基づくその厳密な表現については未解明な点がある。特に、その中の熱的に活性化されるスイッチング速度の指数は、10年の長い保持時間を持つ従来の熱的に安定なナノ磁石では到達できなかった。本研究では、外部摂動に対して高い感度を持つ超常磁性トンネル接合を利用することで、STTによるネール・アレニウス則に迫り、強磁性共鳴のホモダイン検出,ナノ秒STTスイッチング,ランダム電信ノイズなどのいくつかの独立した測定を通じて指数を決定する。さらに、結果がさまざまな物理システムで観察された局所分岐の概念によって包括的に記述されていることを示す。調査結果は、統計物理学の有用なテスターとしての超常磁性トンネル接合の能力、および厳密な数学的基盤を備えた確率的コンピューティングハードウェアの高度なエンジニアリングの可能性を示している。
Sn thin films by magneto-optical Kerr effect内村 友宏*; Yoon, J.-Y.*; 佐藤 佑磨*; 竹内 祐太郎*; 金井 駿*; 武智 涼太*; 岸 桂輔*; 山根 結太*; DuttaGupta, S.*; 家田 淳一; et al.
Applied Physics Letters, 120(17), p.172405_1 - 172405_5, 2022/04
被引用回数：18 パーセンタイル：88.76(Physics, Applied)We perform a hysteresis-loop measurement and domain imaging for 
-oriented -Mn
Sn
thin films using magneto-optical Kerr effect (MOKE) and compare it with the anomalous Hall effect (AHE) measurement. We obtain a large Kerr rotation angle of 10 mdeg., comparable with bulk single-crystal MnSn. The composition 
dependence of AHE and MOKE shows a similar trend, suggesting the same origin, i.e., the non-vanishing Berry curvature in the momentum space. Magnetic domain observation at the saturated state shows that x dependence of AHE and MOKE is explained by an amount of reversible area that crucially depends on the crystalline structure of the film. Furthermore, in-depth observation of the reversal process reveals that the reversal starts with nucleation of sub-micrometer-scale domains dispersed in the film, followed by a domain expansion, where the domain wall preferentially propagates along the ![$$[11bar{2}0]$$](/search/images/ERNTCMK2MJQXE4ZSPUYF0JA.gif)
direction. Our study provides a basic understanding of the spatial evolution of the reversal of chiral-spin structure in non-collinear antiferromagnetic thin films.
竹内 祐太郎*; 山根 結太*; Yoon, J.-Y.*; 伊藤 隆一*; 陣内 佛霖*; 金井 駿*; 家田 淳一; 深見 俊輔*; 大野 英男*
Nature Materials, 20(10), p.1364 - 1370, 2021/10
被引用回数：106 パーセンタイル：98.81(Chemistry, Physical)Electrical manipulation of magnetic materials by current-induced spin torque constitutes the basis of spintronics. Recent studies have demonstrated electrical controls of ferromagnets and collinear antiferromagnets by spin-orbit torque (SOT). Here we show an unconventional response to SOT of a non-collinear antiferromagnet, which has recently attracted great attention owing to large anomalous Hall effect despite vanishingly small net magnetization. In heterostructures with epitaxial non-collinear antiferromagnet MnSn, we observe a characteristic fluctuation of Hall resistance, which is attributed to a persistent rotation of chiral-spin structure of MnSn driven by SOT. We find that level of the fluctuation that varies with sample size represents the number of magnetic domains of MnSn. In addition, MnSn thickness dependence of critical current reveals that SOT generated by small current density below 20 MA cm
effectively acts on the chiral-spin structure even in thick MnSn above 20 nm. The results provide unprecedented pathways of electrical manipulation of magnetic materials, offering new-concept spintronics devices with unconventional functionalities and low-power consumption.
Sn thin filmsYoon, J.-Y.*; 竹内 祐太郎*; DuttaGupta, S.*; 山根 結太*; 金井 駿*; 家田 淳一; 大野 英男*; 深見 俊輔*
AIP Advances (Internet), 11(6), p.065318_1 - 065318_6, 2021/06
被引用回数：18 パーセンタイル：78.47(Nanoscience & Nanotechnology)We investigate the relationship between structural parameters, magnetic ordering, and the anomalous Hall effect (AHE) of MnSn (
) thin films annealed at various temperature 
. The crystal structure changes with and and at 
C near the stoichiometric composition (
) epitaxial single-phase 0
-MnSn(
) is obtained. At room temperature, a larger AHE is obtained when the single-phase epitaxial MnSn with the lattice constant closer to that of bulk is formed. The temperature dependence of the AHE shows different behaviors depending on and can be explained by considering the variation of magnetic ordering. A close inspection into the temperature and composition dependence suggests a variation of magnetic phase transition temperature with composition and/or a possible correlation between the AHE and Fermi level position with respect to the Weyl points. Our comprehensive study would provide the basis for utilizing the unique functionalities of non-collinear antiferromagnetic materials.
岡田 篤*; He, S.*; Gu, B.; 金井 駿*; Soumyanarayanan, A.*; Lim, S. T.*; Tran, M.*; 森 道康; 前川 禎通; 松倉 文礼*; et al.
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 144(15), p.3815 - 3820, 2017/04
Studies of magnetization dynamics have incessantly facilitated the discovery of fundamentally novel physical phenomena, making steady headway in the development of magnetic and spintronics devices. The dynamics can be induced and detected electrically, offering new functionalities in advanced electronics at the nanoscale. However, its scattering mechanism is still disputed. Understanding the mechanism in thin films is especially important, because most spintronics devices are made from stacks of multilayers with nanometer thickness. The stacks are known to possess interfacial magnetic anisotropy, a central property for applications, whose influence on the dynamics remains unknown. Here, we investigate the impact of interfacial anisotropy by adopting CoFeB/MgO as a model system. Through systematic and complementary measurements of ferromagnetic resonance (FMR) on a series of thin films, we identify narrower FMR linewidths at higher temperatures. We explicitly rule out the temperature dependence of intrinsic damping as a possible cause, and it is also not expected from existing extrinsic scattering mechanisms for ferromagnets. We ascribe this observation to motional narrowing, an old concept so far neglected in the analyses of FMR spectra. The effect is confirmed to originate from interfacial anisotropy, impacting the practical technology of spin-based nanodevices up to room temperature.
深見 俊輔*; 家田 淳一; 大野 英男*
Physical Review B, 91(23), p.235401_1 - 235401_7, 2015/06
被引用回数：23 パーセンタイル：66.66(Materials Science, Multidisciplinary)コバルト・ニッケル多層膜によって形成されたナノ細線における磁壁の熱安定性を調査し、その熱安定性を支配する有効体積の解析を行う。ある臨界細線幅以上では磁壁のピン留め脱出が部分体積の励起によって開始されること、またその臨界幅は細線厚みに依存することを見出した。これらの観測結果は、磁壁ピン留め脱出の臨界電流値の分布とも整合しており、ゼーマンエネルギーと弾性エネルギーのバランスを考慮することで定性的に記述できる。
Kim, J.*; Sinha, J.*; 三谷 誠司*; 林 将光*; 高橋 三郎*; 前川 禎通; 山ノ内 路彦*; 大野 英男*
Physical Review B, 89(17), p.174424_1 - 174424_8, 2014/05
被引用回数：95 パーセンタイル：93.98(Materials Science, Multidisciplinary)磁気トンネル接合素子に用いられるCoFeB/Mgoヘテロ構造膜の下地に用いられるTa膜の影響を調べた。Ta下地膜は電流による磁化反転に大きな効果を持っていることがわかった。この結果はスピン拡散モデルで解析された。
三浦 勝哉*; 菅野 量子*; 市村 雅彦*; 早川 純*; 池田 正二*; 大野 英男*; 前川 禎通
Physical Review B, 84(17), p.174434_1 - 174434_7, 2011/11
被引用回数：1 パーセンタイル：4.92(Materials Science, Multidisciplinary)We investigated the effect of a magnetic field along a hard in-plane axis 
on a current-induced magnetization switching in magnetic tunnel junctions. Our recent findings suggest that the effect of mainly appears in the dynamic properties due to the nonconservative force of the spin-transfer torque based on the Slonczewski's model. A simple stability analysis demonstrated that the tilt of the magnetization direction away from the easy axis caused by the presence of induces an imbalance between the spin-transfer and damping torques and that applying a current achieves the further tilted stable state. Achievement of this stable state can be interpreted as the suppression of the effect of the effective demagnetization field. Therefore the major reduction in 
is due to the suppression of H
caused by the presence of .
Mn
As上田 茂典*; 今田 真*; 室 隆桂之*; 斎藤 祐児; 菅 滋正*; 松倉 文礼*; 大野 英男*
Physica E, 10(1-3), p.210 - 214, 2001/05
被引用回数：24 パーセンタイル：73.49(Nanoscience & Nanotechnology)希薄磁性半導体GaMnAs(x=0.025)のMn 2p内殻光吸収における磁気円2色性の測定をファラデー配置にて行った。得られたスペクトルを配置間相互作用を考慮したクラスターモデルを用いて解析し、3d電子間のクーロン相互作用,電荷移動エネルギー,Mn 3dとAs 4p間の移動積分,結晶場の大きさといったMn電子状態に関するパラメータの値を得た。また、得られたパラメータ値を用いp-d交換定数を評価した。
小林 大輔*; 梯 友哉*; 廣瀬 和之*; 池田 正二*; 山ノ内 路彦*; 佐藤 英雄*; Enobio, E. C.*; 遠藤 哲郎*; 大野 英男*; 小野田 忍; et al.
no journal, ,
磁気抵抗メモリ(MRAM)の基本素子である磁気トンネル接合に重イオン放射線を照射した。試験素子は東北大学によって作製されたCoFeB/MgO/CoFeB層からなるものである。この素子は、垂直磁気異方性を持ち、スピン注入磁化反転方式によって制御される従来とは異なる特徴を有す。スピン注入磁化反転方式では、データ書き込みが素子へのパルス電流注入によって実現されるため、放射線衝突によって発生するノイズ電流による記憶データ喪失(書き換え)への懸念がある。タンデム加速器で加速した15MeV Siイオンを、中エネルギーイオン照射チェンバー、並びに、重イオンマイクロビーム形成装置と半導体デバイス微小領域照射試験装置を利用して照射したところ、用いたイオンビームにおいては記憶データの喪失が起きないことが明らかとなった。また、電圧ストレスが放射線耐性に及ぼす影響についても調査したが、実験に用いた
0.5Vの電圧ストレスの範囲では前記Siイオンビームへの耐性に変化がないことが判明した。
Han, J.*; 内村 友宏*; 荒木 康史; Yoon, J.-Y.*; 竹内 祐太郎*; 山根 結太*; 金井 駿*; 家田 淳一; 大野 英男*; 深見 俊輔*
no journal, ,
The quantum metric and Berry curvature are two fundamental and distinct factors that describe the geometry of quantum eigenstates. While the role of the Berry curvature in governing various condensed-matter states has been investigated extensively, the quantum metric, which was also predicted to induce topological phenomena of equal importance, has rarely been studied. Recently, a breakthrough has been made in observing the quantum-metric nonlinear transport in a van der Waals magnet, but the effect is limited at cryogenic temperature and is tuned by strong magnetic fields of several teslas. In our study, we demonstrate room-temperature manipulation of the quantum-metric structure of electronic states through its interplay with the interfacial spin texture in a topological chiral antiferromagnet/heavy metal Mn3Sn/Pt heterostructure, which is manifested in a time-reversal-odd second-order Hall effect (ScHE). We show the flexibility of controlling the quantum-metric structure with moderate magnetic fields and verify the quantum-metric origin of the observed ScHE by theoretical modeling. Our results open the possibility of building applicable nonlinear devices by harnessing the quantum-metric structure of electronic states.
Han, J.*; 内村 友宏*; 荒木 康史; Yoon, J.-Y.*; 竹内 祐太郎*; 山根 結太*; 金井 駿*; 家田 淳一; 大野 英男*; 深見 俊輔*
no journal, ,
物質の特異な電子物性を実現する要素として、電子波動関数の幾何構造が注目されている。波数空間内の幾何構造はベリー曲率と量子計量という2つの量により特徴づけられる。ベリー曲率が異常ホール効果等の内因性効果の起源として活発に研究が行われている一方、量子計量については、電流ノイズや超流動・超伝導の不安定性等に寄与する理論予測はあるが、量子計量の効果を物質中で制御し観測することは困難であった。本講演では、カイラル反強磁性体MnSnにおける量子計量を室温下で制御し観測に成功した、我々の実験及び理論研究の成果について報告する。実験では(0001)配向のMnSnと重金属Ptのヘテロ構造を用い、面内磁場印加下で2次高調波成分の非線形ホール電圧を観測した。この非線形ホール効果は反強磁性転移温度直下の室温で強く現れ、磁場方向に追随して360
の周期性を示した(図参照)。我々はMnSn界面の強束縛模型を用いたモデル計算を行い、測定された非線形ホール効果が、磁場で制御を受けたMnSn電子の量子計量構造に起因することを示した。これは界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用によるスピン構造のカンティングにより現れる、空間反転対称性が強く破れた電子状態に由来する。この電子状態は電場の1次摂動で量子計量に比例したベリー曲率を得るため、電場の2次でホール電圧を示す。モデル計算では量子計量からの非線形ホール効果への寄与を他のメカニズムと比較することにより、測定結果が量子計量の効果であることを確かめた。本研究成果は非線形伝導のデバイス応用に向け、量子計量の制御の重要性を示唆するものである。
