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【分野】磁気物理

【タイトル】Society 5.0実現への材料探索に!スピントロニクス材料の電子構造を可視化する新たな測定技術

【出典】H. Fujiwara, R.Y. Umetsu, F. Kuroda, J. Miyawaki, T. Kashiuchi, K. Nishimoto, K. Nagai, A. Sekiyama, A. Irizawa, Y. Takeda, Y. Saitoh, T. Oguchi, Y. Harada, and S. Suga
“Detecting halfmetallic electronic structures of spintronic materials in a magnetic field”
Scientific Reports 11, 18654 (2021)
• DOI:10.1038/s41598-021-97992-z
大阪大学プレスリリース2021年9月21日
https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2021/20210921_3
東北大学プレスリリース2021年9月21日
http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2021/09/press20210921-01-society5.html

【概要】
大阪大学大学院基礎工学研究科の藤原秀紀助教、関山明教授の研究グループは、東北大学金属材料研究所 梅津理恵教授、大阪大学産業科学研究所 菅滋正招へい教授、小口多美夫教授、黒田文彬博士、入澤明典助教、東京大学物性研究所 原田慈久教授、宮脇淳助教(現・量子化学技術研究開発機構)、日本原子力研究開発機構との大型放射光施設SPring-8での共同研究により、動作を想定した磁場中のスピントロニクス材料の電子構造を、磁性の起源となる電子スピン成分に分解して直接観測することに世界で初めて成功した。

【本文】
磁性体のスピン偏極電子構造を明らかにすることは、スピントロニクス材料研究を進める上で必要不可欠である。しかしながら、実際のデバイス駆動環境である磁場中でのスピン偏極電子構造を実験から直接観測することは極めて困難であった。藤原秀紀助教らの研究グループは、試料からの散乱光をエネルギー分析する共鳴非弾性軟X線散乱法を用いて、磁場中において強磁性体ホイスラー合金Co2MnSiの電子構造を各スピン成分(upとdown)に分解して観測を行った。それにより、Co2MnSi合金が電気伝導を担うスピン成分(up)の電子状態が半導体的特徴を担うスピン成分(down)のバンドギャップ中に位置する、ハーフメタル型電子構造を有することを明らかにした。
共鳴非弾性散乱は、物質からの散乱光を分析する測定深度の深い測定手法であると同時に、磁場中測定で有益な物質の磁気情報も提供するため、実際のデバイス構造で保護キャップ層に埋もれた磁性層や界面構造の電子状態を非破壊で元素選択的に、かつスピン成分にまで分解して測定することも可能とする。スピントロニクスに適した材料の物質設計や探索、さらに新機能実装にむけたデバイス開発に貢献する測定技術であり、Society 5.0実現に向けた材料開発研究が加速するものと期待される。
(文責 梅津理恵)

図. 磁場中における共鳴非弾性散乱(RIXS)の実験配置(左)とハーフメタル型電子状態を有するCo2MnSiホイスラー合金のRIXSの磁気円二色性強度マップ(右上:Mn-L3端、右下:Co-L3端)。

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