本文へスキップ

Miwa Group, The Institute for Solid State Physics (ISSP), The University of Tokyo

Research

Outline

Research topics:
(1) Spintronics device with quantum materials
(2) Operando spectroscopy to reveal device physics
(3) Interface engineering to develop device performance
(4) Brain-inspired computing using spin-dynamics

We study condensed matter and materials physics. Properties of spin can be distinct in the world of nano-materials. We make atomically controlled quantum materials made from metals, insulators, and organic molecules. Our research purpose is to make new nano-structure with useful physical properties by means of quantum physics, and to study its microscopic origin.
In the perodic table, we can see only few magnetic materials such as Fe and Co. However, if we employ multilayers consisting of magnetic (Fe, Co, Ni, Mn), non-magnetic (V, Cu, Sn, Au, Pt, Ir), and organic (e.g. phthalocyanine) materials, combination and its possibility can be infinite. Topological magnetic materials with a unique electronic strucure are good examples. By using symmetries from crystal and interface, we can design and make novel electronic devices. We study such symmetry-driven quantum spintronics devices.

研究テーマ:
(1) 量子物質を用いたスピントロニクスデバイス
(2) フェムト秒パルスレーザーや放射光X線を用いたオペランド分光
(3) 界面ナノ制御によるデバイス機能向上
(4) スピンによる脳型コンピューティング

 私たちの身の回りは磁性体(磁石)であふれています。一見すると気づきませんが家電製品やパソコン・自動車をはじめとした生活必需品は主に磁性体で構成されています。三輪研究室では磁性の主な起源である「電子の自転角運動量に相当するスピン」の性質がナノの世界で顕著に現れることに着目し、これを利用して高度なレベルでエレクトロニクスを実現する「量子スピントロニクス」の研究を行っています。特に物理学研究の面白さである新物質材料創成を大事にし、原子層成長技術を駆使した高品質かつ特徴的なナノ構造を有する量子デバイス物性研究を展開します。
 元素の周期表において、磁石材料はFeやCoのように限られた種類しかありません。しかし、Fe・ Co・ Ni・Mnをはじめとした磁性体、V・ Cu・Sn・Au・Pt・Irなどの非磁性体、各元素のイオンを有するフタロシアニン等の有機分子、これらを原子・分子レベルで自在に積み上げて組み合わせと可能性を無限大にします。トポロジカル磁性体のように特徴的な電子状態を有する量子物質はその一例です。結晶の対称性に加えて界面の対称性を利用すると、新規機能性デバイスが創成されます。新物質材料が示す新たな物性(物の性質)を見つけ、電子デバイス材料として機能化して応用に供することが研究目的です。

和文解説記事(スピントロニクス入門):「量子スピントロニクス現象を示す新物質について」




Recent research results

  • Spintronics device with a topological magnet
    Ref: H. Tsai et al., Nature 580, 608 (2020).

    トポロジカル磁性体を用いたスピントロニクスデバイス:
    運動量空間に非自明な電子状態を持つトポロジカル磁性体を用いると、従来の強磁性金属とは異なる性質が得られます。具体的には反強磁性体であるにも関わらず強磁性体のような応答を示したり、強磁性体の応答が増強されます。これまでにトポロジカル反強磁性金属が強磁性体よりも100倍速い応答速度を示すことやスピン流で制御可能であることを実証しました。
  • Metal-organic hybrid devices using functional molecules
    Ref: H. Isshiki et al., Nano Lett. 19, 7119 (2019).
    Ref. H. Gamou et al., Nano Lett. 20, 75 (2020).

    機能性有機分子を利用した金属-有機ハイブリッドデバイス:
    有機分子は無機金属と比べてとても設計自由度の高い魅力的な材料です。本テーマでは強磁性金属と有機分子との界面で生じる特徴的な電子状態を見出して機能化します。これまでに分子と金属の界面でスピン流-電流変換現象を発現させたり、分子にスピントランスファー効果をはたらかせることに成功しました。
  • Operando spectroscopy to characterize interfacial magnetism and magnetoelectric effect
    Ref.: S. Miwa et al., Nat. Commun. 8, 15848 (2017).
    Ref.: T. Kawabe et al., Phys. Rev. B 96, 220412(R) (2017).
    Ref.: S. Miwa et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 52, 063001 (2019).

    オペランド分光による界面磁性や電気磁気効果の機構解明:
    強磁性金属界面ではスピン軌道相互作用に起因する軌道磁気モーメントや磁気双極子Tz項といった物理量が顕著に現れます。これらは磁気異方性と密接に関係し、スピントロニクスデバイスを駆動するために必要な磁性の電気的制御を理解するのに重要です。放射光X線を使ってデバイスを動作させながら分光を行う「オペランド分光」により電気磁気効果の起源を解明しました。
    Ref. (Japanese): SPring-8/SACLA利用者情報 23, 8(2018).
    Ref. (Japanese): 元素戦略プロジェクト/大型研究施設 連携シンポジウム 研究ダイジェスト
  • Interface-engineering to realize giant spin-torque
    Ref.: S. Miwa et al., Nat. Mater. 13, 50 (2014).
    Ref.: S. Miwa et al., Phys. Rev. X 7, 031018 (2017).

    磁性多層膜デバイスの界面ナノ制御による巨大スピントルク:
    界面磁気異方性の制御制御によりスピン流の非線形効果が増強されて巨大なダイオード効果を示すことや、FeとMgOのエピタキシャル接合において非自明な電気磁気効果が生じることを示しました。
  • Brain-inspired computing with spintronics
    Ref.: T. Furuta et al., Phys. Rev. Applied 10, 034063 (2018).

    スピントロニクスを利用した脳型コンピューティング:
    スピンの歳差運動は非線形かつ履歴を持つため演算能力を有します。スピントロニクスデバイスを用いて、脳型演算と呼ばれるリカレントニューラルネットーワークの一種である「レザバコンピューティング」を行えることを示しました。



Access

A330, Miwa group, The Institute for Solid State Physics, 5-1-5 Kashiwanoha, Kashiwa, Chiba 277-8581, Japan

〒277-8581
千葉県柏市柏の葉5-1-5
東京大学 物性研究所 三輪研究室
 A330 TEL:04-7136-3301
 A329 TEL:04-7136-3300
 A320 TEL:04-7136-3334

Map