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論文

Thermal stability of non-collinear antiferromagnetic Mn$$_3$$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

https://doi.org/10.1063/5.0135709
 被引用回数：1 パーセンタイル：54.89(Physics, Applied)

$$D0_{19}$$-Mn$$_3$$Sn, 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 $$Delta$$, has been well studied in ferromagnetic systems but not for antiferromagnets. Here we study $$Delta$$ of the antiferromagnetic Mn$$_3$$Sn nanodots as a function of their diameter $$D$$. To obtain $$Delta$$, 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 $$Delta$$ down to $$D = 300$$ nm below which it decreases with $$D$$. The obtained $$D$$ 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.

論文

Local bifurcation with spin-transfer torque in superparamagnetic tunnel junctions

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

https://doi.org/10.1038/s41467-022-31788-1
 被引用回数：2 パーセンタイル：34.67(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。

論文

Observation of domain structure in non-collinear antiferromagnetic Mn$$_3$$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

https://doi.org/10.1063/5.0089355
 被引用回数：10 パーセンタイル：83.82(Physics, Applied)

We perform a hysteresis-loop measurement and domain imaging for $$(1100)$$-oriented $$D0_{19}$$-Mn$$_{3+x}$$Sn$$_{1-x}$$ $$(-0.11 le x le 0.14)$$ 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 Mn$$_3$$Sn. The composition $$x$$ 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 $$[11bar{2}0]$$ direction. Our study provides a basic understanding of the spatial evolution of the reversal of chiral-spin structure in non-collinear antiferromagnetic thin films.

論文

Chiral-spin rotation of non-collinear antiferromagnet by spin-orbit torque

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

https://doi.org/10.1038/s41563-021-01005-3
 被引用回数：81 パーセンタイル：98.79(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 Mn$$_3$$Sn, we observe a characteristic fluctuation of Hall resistance, which is attributed to a persistent rotation of chiral-spin structure of Mn$$_3$$Sn driven by SOT. We find that level of the fluctuation that varies with sample size represents the number of magnetic domains of Mn$$_{3}$$Sn. In addition, Mn$$_3$$Sn thickness dependence of critical current reveals that SOT generated by small current density below 20 MA cm$$^{-2}$$ effectively acts on the chiral-spin structure even in thick Mn$$_3$$Sn 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.

論文

Correlation of anomalous Hall effect with structural parameters and magnetic ordering in Mn$$_{3+x}$$Sn$$_{1-x}$$ thin films

Yoon, 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

https://doi.org/10.1063/5.0043192
 被引用回数：14 パーセンタイル：79.58(Nanoscience & Nanotechnology)

We investigate the relationship between structural parameters, magnetic ordering, and the anomalous Hall effect (AHE) of Mn$$_{3+x}$$Sn$$_{1-x}$$ ($$-0.42 le x le +0.23$$) thin films annealed at various temperature $$T_a$$. The crystal structure changes with $$x$$ and $$T_a$$ and at $$T_a ge 500$$ $$^circ$$C near the stoichiometric composition ($$-0.08 le x le +0.04$$) epitaxial single-phase $$D$$0$$_{19}$$-Mn$$_{3+x}$$Sn$$_{1-x}$$($$10bar{1}0$$) is obtained. At room temperature, a larger AHE is obtained when the single-phase epitaxial Mn$$_3$$Sn with the lattice constant closer to that of bulk is formed. The temperature dependence of the AHE shows different behaviors depending on $$T_a$$ 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.

論文

Magnetization dynamics and its scattering mechanism in thin CoFeB films with interfacial anisotropy

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

http://doi.org/10.1073/pnas.1613864114

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.

論文

Thermal stability of a magnetic domain wall in nanowires

深見 俊輔*; 家田 淳一; 大野 英男*

Physical Review B, 91(23), p.235401_1 - 235401_7, 2015/06

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.91.235401
 被引用回数：22 パーセンタイル：66.77(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。

論文

Anomalous temperature dependence of current-induced torques in CoFeB/MgO heterostructures with Ta-based underlayers

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

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.89.174424
 被引用回数：91 パーセンタイル：94.02(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。

論文

Reduction of intrinsic critical current density under a magnetic field along the hard axis of a free layer in a magnetic tunnel junction

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

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.84.174434
 被引用回数：1 パーセンタイル：5.4(Materials Science, Multidisciplinary)

We investigated the effect of a magnetic field along a hard in-plane axis $$H$$$$_{rm hard}$$ on a current-induced magnetization switching in magnetic tunnel junctions. Our recent findings suggest that the effect of $$H$$$$_{rm hard}$$ 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 $$H$$$$_{rm hard}$$ 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 $$J$$$$_{rm c0}$$ is due to the suppression of H$$_d^{*}$$ caused by the presence of $$H$$$$_{rm hard}$$.

論文

Magnetic circular dichroism in Mn 2p core absorption of Ga$$_{1-x}$$Mn$$_{x}$$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

https://doi.org/10.1016/S1386-9477(01)00084-4
 被引用回数：24 パーセンタイル：73.94(Nanoscience & Nanotechnology)

希薄磁性半導体Ga$$_{1-x}$$Mn$$_{x}$$As(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。

口頭

磁気トンネル接合素子に対する放射線照射効果の実測評価

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$$pm$$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。

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