2003年度 佐藤研究室

構成

教授

佐藤徹哉

大学院

儀間清昭(M2)、小松克伊(M2)、竹ノ内伸行(M2)、藏裕彰(M1)

学部

樫原周一郎(B4)、新井隆太 (B4) 、石井純平(B4) 、大場洋次郎(B4) 、廣岡司(B4) 、水野遊生(B4) 、渡辺敬太(B4)

研究成果

(1)スピングラス磁性に関する研究

(背景)人間がものごとを連想的に記憶する仕組みには脳が持つ階層的な記憶構造が関与していることから、この特徴を磁性体に存在する階層性と関係付け、より人間に近い記憶が可能な記憶素子を実現することを目標としている。対象となる材料はスピングラス(以下SG)である。SGでは本質的に異なる記憶パターンを同時に複数個記憶させることが可能であり(多値記憶)、記憶パターンとしてのスピン構造が階層的に関係付けられること(連想記憶)が期待される。本研究では、これらの興味深い現象の基礎となるSGの本質を明らかにするために、現在もっとも有力なSGの理論と考えられるドロップレット理論の実験的検証を行っている。SG相では、系をSG転移温度以下の温度Tmに急冷し、待ち時間 間待った後に磁場を印加し磁化の緩和を測定すると、磁化の緩和率S(t)はtwにより変化し、観測時間t ~ twにピークを示す。この現象は温度Tmに急冷された後に系が平衡状態へ向かう過程を示しており、エイジング現象と呼ばれる。このエイジング現象は、ドロップレット描像と密接に関連して理解されるものであり、その詳細を明らかにすることがドロップレット理論の検証には必要である。本研究では、SG微粒子のエイジングを調べることで、エイジングのメカニズムと関連した空間スケールを定量的に解明すること、およびスピングラス半導体に光照射を行い、キャリア励起によりスピン間相互作用が摂動を受けた状況下でエイジングを調べることで、オーバーラップの検証を行うことによりスピングラス磁性の解明を目指す。
一方、これまでイジング系スピングラスにおいて相転移の存在は計算機シミュレーションによっても明らかにされてきたが、ハイゼンベルグ系では、相転移の存在は見いだされておらず、実験との不一致が指摘されてきた。この問題を解決するために、カイラリティ秩序がスピングラス秩序を誘導するとのアイデアが提唱されている。しかし、カイラリティ秩序を実験的に検証することは非常に困難があった。近年、異常Hall効果を用いてその検証が可能であるとの理論が提唱された。本研究では、スピングラス薄膜の異常ホール効果を測定することによりカイラリティ秩序を明確に検証し、ハイゼンベルグスピングラスの転移機構を明らかにすることをもう一つの目標とした。具体的な内容は以下のようである。

(1-1)ガス中蒸発法により平均粒径21 nmのAuFeナノ微粒子を得た。この微粒子は広い濃度分布を持ち、リエントラントスピングラス的な振舞いを示した。スピン凍結温度Tf(~40 K)以下では、バルクと同様に磁化の緩和現象を示し、低温では待ち時間依存性、すなわちエイジング現象を示す。しかしバルクと異なり、32 Kではほぼ待ち時間依存性が消失した。ドロップレット理論によれば、低温ではドロップレットの成長は遅く、高温では早い。このため、低温ではドロップレットのサイズが微粒子のサイズにまで達することはなく、バルク的な振舞いをする。一方、高温ではドロップレットのサイズが微粒子のサイズに達し、ドロップレットの成長が微粒子のサイズで制限されるため、エイジングが消失したものと考えられる。この結果より、スピングラス相でのスピングラスドメインのサイズは0.8Tfの温度において、1000 sec程度の時間で~20 nmのオーダーまで成長することがわかった。さらに、化学的手法により組成分布の狭い微粒子を作成することでより定量的な評価を行う準備を行っている。

(1-2)スピングラス半導体CdMnTeにレーザーを照射することでキャリアを励起させ、相互作用の摂動ΔJを与えたときのエイジング現象を調べた。通常,光を照射するとΔJに伴って温度変化ΔTも与えられてしまうため,ΔJの効果を直接的に見積もることはできない。そこで温度変化を与えることなく相互作用摂動ΔJのみを与えることができる実験システムを作成した。これによりΔJの影響をより定量的に解釈することが可能となった。摂動ΔJ下では緩和率S(t)のピークはΔJを与えないときよりもブロードになることがわかった。この挙動は、ΔJが与えられたときにオーバーラップ長と呼ばれるスケールが減少することで理解され、オーバーラップ長の存在をもっとも直接的に検証したものである。現在,相互作用摂動ΔJの強さおよび光照射時間を変えてエイジングを調べることで相互作用摂動の影響をより定量的に調べることを試みている。

(1-3)Sn1-xMnxTeはRKKY相互作用に起因するスピングラス半導体として報告されている唯一の系である。この系ではキャリアを励起させることによりキャリア数密度を変化させることで磁気的相互作用を変化させることができ、その相互作用変化を定量的に見積もることができるものと期待される。しかし、過去に報告されたSn0.93Mn0.04Teのスピングラス転移温度は2.2 Kであり、秩序相においての実験が困難で合った。今回、過去に報告されたものよりも1.6 K高いスピングラス転移温度(世界記録)を持つスピングラス半導体Sn0.93Mn0.07Teの作成に成功した。また、磁化の緩和測定を行い、この系においてスピングラスに特徴的な現象である待ち時間依存性を観測した。この結果は、この系が純粋なスピングラス相を持つことの大きな証拠であり、この系において光照射を用いて相互作用摂動を与える実験を行うことで、スピングラス相の議論ができることが示唆された。

(1-4)ハイゼンベルグ型スピンのスピングラスの磁気秩序化の本質は、スピンの秩序化に起因するとされてきたが、近年になりカイラリティと呼ばれるスピン配位の右・左を表す自由度がこの磁気秩序化に際して本質的な役割をしているのではないかという仮説が提唱された。今までカイラリティ自体は実験的に直接観測されていなかったが、異常Hall効果測定によりカイラリティの振る舞いを直接観測の可能性が示唆され、AuFe合金の異常ホール係数においてカイラリティ秩序化に伴うカスプが確認された。本研究ではカイラリティ秩序化に伴う異常をより明確に観測するためにNi(Pt)Mn薄膜を用いて異常ホール効果を測定し、スピングラス転移温度近傍で異常ホール係数がピークを持つことを確認した。これはスピンカイラリティ秩序化とスピングラス転移の強い相関を示唆するものである。

(2)薄膜物性に関する研究

(背景)薄膜状態における磁性体の研究は、磁気応用の面に加えて磁気秩序の本質を探る手法という観点からも非常に重要である。本研究では、まず強磁性とスピングラスが共存するリエントラント強磁性体と一般の強磁性体を非磁性相を介して接合させた複合磁性体の磁気特性を調べた。一般に2つの強磁性体を非磁性層を介して接合させると強磁性層間には働くRKKY型の磁気相互作用が生じ、その結果として非磁性層膜厚に対して振動的に変化する一方向磁気異方性が誘導されることが知られている。一方、ある種のスピングラスは一方向異方性を本質的に有することから、このようなスピングラスに膜間の相互作用が加わることで、一方向異方性を制御できる可能性を持つ。この一方向異方性の制御という観点から研究を行っている。次に、非晶質状態において電気抵抗の自発的振動が発生することが報告されているCrFe薄膜を調べた。これは、平衡状態に近い状態で自発的に振動現象が起こるという点で、これまで他に見られない興味深い現象である。次に、磁性形状記憶合金であるFePdの薄膜に注目した。磁性薄膜の研究の中で、その力学的な性質を利用するという立場の研究はこれまでほとんど行われていない。しかし、磁性形状記憶合金を薄膜化し、さらには微細化を行うことが出来れば、将来のナノアクチュエータへの道が開ける可能性がある。さらに、形状記憶合金でのマルテンサイト変態に伴って、内部に異なる磁性相を発生させることが出来る。これを磁気的に制御できるならば、巨大磁気抵抗効果の発生が期待される。これらの応用を将来の目標として、磁性形状記憶合金薄膜の基礎的な性質である磁気、電気特性を調べている。具体的な内容は以下の通りである。

(2-1)低温においてSG相と強磁性相が共存するリエントラント強磁性体NiMn・Ni(Pt)Mn薄膜を、非磁性層を介して強磁性薄膜と接合させた3層膜について磁気異方性の非磁性層膜厚依存性を検討した。強磁性体Niが非磁性体Al、Al2O3を介してNiMnと接合するNiMn/非磁性層/Ni3層膜において、非磁性層として金属Alを用いた場合、NiMn層の一方向異方性が非磁性層膜厚に依存して振動する現象を見い出した。一方、絶縁体の非磁性層に対しては振動が観測されなかった。さらに、金属非磁性層に対してはNi層においても一方向異方性が観測された。Ni層の磁気異方性の振動現象は、NiMnが強磁性磁化を有するために非磁性層を介して両層の間に交換結合が作用することで理解される。一方、NiMn層の一方向異方性はSGの発生メカニズムと関連したものであり、それゆえ、この振動現象はSGを引き起こす磁気相互作用が強磁性磁化との交換結合で影響を受けているものと考えられる。また、Ni(Pt)Mn/非磁性層/Ni3層膜については非磁性層の膜厚が減少するにつれて一軸異方性が減少するが、ある膜厚で異方性が増大した。これはNiMnと異なる点であり、原因を究明中である。

(2-2)Fe濃度26at.%の非晶質CrFe薄膜において低温で電気抵抗が時間に対して周期的に振動し、その振動数が温度に依存していることが報告された。この振動現象は薄膜の非晶質化が関係していると考えられるため、非晶質化の条件および要因について検討を行った。均質な薄膜が作成可能な二元同時蒸着法により真空度および組成を変化させCrFe薄膜を作成した。その結果、Fe濃度30at.%のCrFe薄膜では真空度が1×10-6~1×10-7 Torrにおいて非晶質となることが確認できた。またFe濃度31at.%の薄膜をX線光電子分光装置(XPS)を用いて測定した結果、CrおよびFeの結合状態は蒸着時真空度1×10-7 TorrではCr、Feの単原子で存在しているのに対し、蒸着時真空度1×10-6TorrではCrはCr2O3、FeはFe3O4、Fe2O3、FeOとそれぞれ酸素と結合していることが確認できた。つまりこの蒸着時真空度が1×10-6Torrの非晶質CrFe薄膜は酸素原子の影響により非晶質化が起こったと考えられる。

(2-3)FePdはバルク状態で磁性形状記憶合金として知られる物質であるが、これを薄膜化することで、磁気と力学的変化が関連した新しい素子の開発が可能であると考えられる。本研究では2元真空蒸着法によりバルクにおいて磁性形状記憶現象が観測される組成のFePd合金の作成を試み、その均質な薄膜を作成することに成功した。この試料の低磁場下での磁化の温度変化を測定したところ、1次的な相転移ではなく多段的な構造変態を示唆するような変化が観測された。バルクFePdについて高磁場下で磁化の温度変化を測定すると同様の結果が見られるため、基板による応力が試料に高磁場と同様の影響を与えていることがわかった。さらに、この系は磁場によって誘起される結晶中の歪みが起因となって約4%の磁気抵抗効果を示した。この値は単一の構造を持つ試料の磁気抵抗としては比較的大きな値であり、FePd磁性形状記憶合金は磁気抵抗材料としても有望であることを示した。今後は多層膜化などによりさらに大きな磁気抵抗を目指すとともに、多段変化の起源を探ることから磁場による力学的変化の制御を可能にし、磁気的ナノアクチュエータの開発を行っていく予定である。

(3)磁性微粒子の物性に関する研究

(背景)磁性体を超微粒子化すると、バルクとは大きく異なる磁性を示すことがある。その典型な材料として、4d遷移金属であるPdの超微粒子に注目している。これは、バルクでは磁気秩序を持たないが、微粒子化することで強磁性が発生する。しかし、その結果の正当性や、メカニズムの詳細は不明であった。この点を明らかにするために、非常に清浄な表面を持つ高純度Pdを超微粒子化することで、その本質を明らかにすることを目標として研究を進めている。一方、超微粒子の応用には、未開拓な領域が多くある。その一つとして磁性微粒子を高分子に分散した系を用いた磁気光学材料の開発を目指している。超微粒子を磁気光学特性に優れる光学ポリマー中に分散させることで、光学的な散乱を引き起こさずに磁気光学特性のみを付加することが出来る可能性がある。このような材料が開発できるならば、将来の短波長での光通信に対応できる光アイソレータへの応用の道が開かれるものと考えられる。このような視点からFePt、FePd秩序合金微粒子に注目して研究を進めている。具体的な内容は以下のようである。

(3-1)固体表面では、バルクの持つ3次元的な性質に代わり、2次元的な性質が現れる。このような2次元的性質の出現は、バルクとは異なる新たな物性を発生させ得る。4d遷移金属Pdは、2次元的磁性が顕著に見られる例であると考えられている。本研究では、超高真空まで排気可能な微粒子作製装置を構築し、Pdが超微粒子化に伴って強磁性を発現することを見出した。得られた結果の解析から、このPd超微粒子における強磁性は表面(100)面にのみ存在し、他の部分は常磁性であると考えられた。これを確かめるため、Pd超微粒子への酸素ガス吸着を行った。その結果、酸素ガスの吸着によってPd超微粒子の飽和磁化が大きく減少することがわかった。これは、強磁性がPd超微粒子の表面のみに存在することを裏付けるものである。

(3-2)磁性超微粒子の新たな応用の可能性のひとつとして、超微粒子分散系を用いた磁気光学効果に注目し研究を行っている。分散させる超微粒子の条件として高い分散性、狭い粒径分布、大きな磁気光学特性が必要である。FePtは規則相で大きな磁気光学効果を示し、高い分散性と狭い粒径分布を持つ超微粒子を化学的手法によって合成することが出来るため、これを用いて研究を行った。しかしFePt超微粒子は化学的に合成したとき不規則相を示すため、規則化させるため600oCで熱処理を施す必要がある。高温での熱処理は微粒子の焼結・融合を引き起こすため、高い分散性を保ったまま規則化させるためには規則化温度を下げる必要がある。FePt薄膜はCuを添加することにより規則化温度が低下することが報告されており、FePtCu超微粒子の規則化温度は400℃にまで減少することが本研究において判明した。これによって適した条件を持つ超微粒子の作製の目処がついた。今後はFePtCu超微粒子分散系の磁気光学効果測定を行っていく予定である。

(3-3)粒径数nmの超微粒子を媒体に分散させることで磁気光学素子としての応用が期待される。L10型の規則構造を持つFePdは大きなスピン軌道作用により大きな磁気光学効果が期待される。粒径を制御することで波長特性を変化させれば将来の光通信に必要な短波長に適応できる光アイソレータの開発が期待できる。FePd超微粒子は気相法では熱処理により規則化し磁気異方性が増大するが焼結し凝集してしまう。一方、分散性のよい微粒子が得られる液相法では規則化が起きないことが報告されている。本研究で作成した液相法のFePd超微粒子は気相法の微粒子よりも格子定数が大きいことが分かった。これはFePdの格子間にC原子が侵入し、FePdの熱拡散の妨げになり規則化が生じないことによると考えている。今後、磁気光学材料に適したL10構造を持つFePd超微粒子を作成するためにC原子の侵入を防ぐような作成法を検討する予定である。

発表論文・学会発表・特許申請など

論文

Shuichiro Anzai、 Hisanori Hanai、 Satoshi Hashimoto、 Yoshiyasu Takayama、 Naoya Tokiwa、 and Tetsuya Sato. “Effect of Rh substitution on the magnetic transition temperature in the Ni2In-type Mn7Sn4″、 Journal of Physical Society of Japan 72(4) 1-2(2003).

T. Shinohara, T. Sato and T. Taniyama, “Surface ferromagnetism of Pd fine particles”. Physical Review Letters 91(19) 197201-1~197201-4(2003).

T. Sato and A. Hori, “Aging behavior of semiconductor spin-glass under photo illumination”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials(印刷中)

K. Komatsu, T. Sato, P. Jonsson and H. Takayama, “Aging behavior of spin glass fine particles in restricted space”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials(印刷中)

T. Shinohara, T. Sato, and T. Taniyama. “Ferromagnetism of gas-evaporated Pd fine particles in mesoscopic size”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials(印刷中)

N. Takenouchi, T. Sato and T. Ogawa, “Unidirectional magnetic anisotropy in Ni/(Al, Cu)/NiMn trilayer films”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials(印刷中)

Y. Matsuda, S. Hashimoto, S. Anzai, T. Sato , Y. Yamada and A. Ohta. “Magnetic field effect on the magnetic properties of (Cr1-xTix)5S6”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials(印刷中)

Msayuki Kamei, Takahira Miyagi, Tomoyuki Ogawa, Takefumi Mitsuhashi, Atsushi Yamazaki and Tetsuya Sato, ”Comparative study of anatase epitaxial thin films grown by magnetron sputtering and metal organic chemical vapor deposition”, Japanese Journal Applied Physics 42 part.1 (11) 7025-7028
(2003).

Takahira Miyagi, Masayuki Kamei, Tomoyuki Ogawa, Takefumi Mitsuhashi, Atsushi Yamazaki, and Tetsuya Sato,“Pulse mode effects on crystallization temperature of titanium dioxide films in pulse magnetron sputtering,” Thin Solid Films 442 32-35 (2003).

国内学会発表

Cu を添加したFePt合金超微粒子の秩序化温度と磁性
藏裕彰、佐藤徹哉
2003年9月 日本物理学会 2003年秋季大会、岡山大学

Pd超微粒子の磁性に対するガス吸着の影響
大場洋次郎、佐藤徹哉、篠原武尚
2003年9月 日本物理学会 2003年秋季大会、岡山大学

スピングラスAuFe超微粒子におけるエイジングに基づくドロップレット描像の評価
小松克伊、佐藤徹哉、Petra Jonnson、高山一
2003年9月 日本物理学会 2003年秋季大会、岡山大学

CdMnTeに対する温度及び相互作用摂動下でのエイジング現象
新井隆太、小松克伊、佐藤徹哉
2003年9月 日本物理学会 2003年秋季大会、岡山大学

Ni/Al、Cu、Al2O3/NiMn(リエントラントスピングラス)多層膜におけるNi、NiMn層一方向違法性の中間層膜圧依存性
竹ノ内伸行、佐藤徹哉、小川智之
2003年9月 日本物理学会 2003年秋季大会、岡山大学

強磁性PdFe形状記憶合金薄膜の磁気特性
儀間清昭、佐藤徹哉
2003年9月 日本物理学会 2003年秋季大会、岡山大学

Ni2In型(Mn1-wRhw)7Sn4におけるスピングラス特性
橋本哲、佐藤徹哉、安西修一郎
2003年9月 日本物理学会 2003年秋季大会、岡山大学

光照射によるスピングラスのエイジング研究
佐藤徹哉
2003年9月 日本物理学会 2003年秋季大会、領域11、領域3合同シンポジウム「スピングラスの非平衡ダイナミックスとその周辺」、岡山大学

スピングラスへの光照射効果
佐藤徹哉
2003年12月 第11回化合物新磁性材料研究会「遷移金属元素を含む化合物の光応答」、早稲田大学

スピングラスナノ微粒子におけるエイジング現象の研究
小松克伊、佐藤徹哉、Petra Jonnson、高山一
2004年3月 日本物理学会 第59回年次大会、九州大学箱崎キャンパス

NiMn、Ni(Pt)Mnを含む多層薄膜における磁気異方性
竹ノ内伸行、佐藤徹哉、小川智之
2004年3月 日本物理学会 第59回年次大会、九州大学箱崎キャンパス

強磁性FePd形状記憶合金薄膜の磁気特性と磁気抵抗効果
儀間清昭、佐藤徹哉
2004年3月 日本物理学会 第59回年次大会、九州大学箱崎キャンパス

FePtCu超微粒子の規則化温度と磁性
藏裕彰、佐藤徹哉
2004年3月 日本物理学会 第59回年次大会、九州大学箱崎キャンパス

FePd超微粒子の規則化 ?気相法と液相法の比較?
渡辺敬太、佐藤徹哉
2004年3月 日本物理学会 第59回年次大会、九州大学箱崎キャンパス

Pd超微粒子の硬磁性に対するO2ガス吸着の影響
大場洋次郎、佐藤徹哉、篠原武尚
2004年3月 日本物理学会 第59回年次大会、九州大学箱崎キャンパス

磁性半導体Pd1-x-ySnyMnxTe単結晶のスピングラス特性
廣岡司、佐藤徹哉
2004年3月 日本物理学会 第59回年次大会、九州大学箱崎キャンパス

スピングラス半導体に対する相互作用摂動下でのエイジング現象
新井隆太、佐藤徹哉
2004年3月 日本物理学会 第59回年次大会、九州大学箱崎キャンパス

(Mn1-wRhw)7Sn4における非線型磁化率とRh優先的置換性
橋本哲、堀切康平、佐藤徹哉、安西修一郎
2004年3月 日本物理学会 第59回年次大会、九州大学箱崎キャンパス

国際会議発表

Aging behavior of semiconductor spin-glass under photo illumination
T. Sato and A. Hori
2003年7月 International Conference on Magnetism 2003, Roma

Aging behavior of spin glass fine particles in restricted space
K. Komatsu, T. Sato, P. Jonsson and H. Takayama
2003年7月 International Conference on Magnetism 2003, Roma

Ferromagnetism of gas-evaporated Pd fine particles in mesoscopic size
T. Shinohara, T. Sato, and T. Taniyama
2003年7月 International Conference on Magnetism 2003, Roma

Unidirectional magnetic anisotropy in Ni/(Al, Cu)/NiMn trilayer films
N. Takenouchi, T. Sato and T. Ogawa
2003年7月 International Conference on Magnetism 2003, Roma

Magnetic field effect on the magnetic properties of (Cr1-xTix)5S6
Y. Matsuda, S. Hashimoto, S. Anzai, T. Sato, Y. Yamada and A. Ohta.
2003年7月 International Conference on Magnetism 2003, Roma

Aging behavior of spin glass nanoparticles
T. Sato
2003年12月 International Workshop on “Physics on Nanoscale Magnets”, Kyoto

Aging behavior of semiconductor spin glasses subjected to bond perturbation under photo illumination
T. Sato
2004年1月French-Japanese bilateral seminar on“Frustrated Magnetism and Slow Dynamics”, Kyoto

学位論文

博士論文

佐藤が副査として関係した論文

上野 球:多バンド金属のポイントコンタクトにおける量子輸送現象
2003年3月 (主査:江藤幹夫 助教授)

宮島 謙:Electronic and magnetic properties of one-dimensional organometallic clusters in gas phase
2003年3月 (主査:中島 敦 教授)

修士論文

儀間清昭:強磁性FePd形状記憶合金薄膜の作成と磁気的性質
小松克伊:スピングラスナノ微粒子の作成とエイジング現象の研究
竹ノ内伸行:リエントラントスピングラスNiMnまたはNi(Pt)Mn層を含む多層薄膜の磁気特性

学士論文

新井隆太:光照射下での相互作用摂動を用いたスピングラスのエイジング研究
大場洋次郎:Pd超微粒子の表面磁性に対するガス吸着の影響
石井純平:CrFe薄膜の非晶質化に対する条件の検討
廣岡 司:スピングラス磁性を示す半導体Pb1-x-ySnyMnxTe単結晶の作成
水野遊生:スピングラスNi(Pt)Mn薄膜の異常ホール効果によるスピングラス転移の検討
渡辺敬太:L10‐FePd超微粒子の作製に関する研究

進路

フィリップス
日本電気
慶応義塾大学大学院総合デザイン工学専攻博士課程
慶応義塾大学大学院総合デザイン工学専攻修士課程 6名


Dept. Applied Physics and Physico-Informatics