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金属人工格子の磁気コンプトンプロファイル
桜井浩群馬大学工学部電気電子工学科
概要磁気コンプトンプロファイルとはPd/Co人工格子の垂直磁気異方性Pd/Co人工格子の磁気コンプトンプロファイル
今後の展開
磁気コンプトンプロファイルとは？
コンプトン効果（高校の物理）
運動量保存則
エネルギー保存側
'' pkpk +=+ hh
mm 2''
222 pp
+=+ ωω hh
'kkK −=
mm 22)'(
2KpK hh
h +=−ωω
コンプトン散乱光子のエネルギースペクトル(ω-ω’)は、固体中の電子の運動量のz成分（散乱ベクトルへの射影）を表す。
とおいて（Kは散乱ベクトル）保存則を組み合わせると
•電子の運動量を観測（散乱ベクトル方向への射影）•特定の運動量をもった電子の密度を観測
yxz dpdpnpJ )()( ∫∫= p
: 運動量空間の電荷密度
∫ −Ψ∝Ψ rrp prde i)()(
2)()( pp Ψ=n
コンプトンプロファイルとよぶ。式でかくと
: 運動量空間の波動関数
磁性体の場合は磁気コンプトンプロファイル
yxzmag dpdpnnpJ ∫∫ ↓↑ −= )]()([)( pp
アップスピンとダウンスピンの電荷密度の差 スピンを観測
•Ｘ線回折で実空間の電荷密度観測。ほとんど内殻電子しか見えない。(価電子に鈍感。)コンプトンプロファイルは運動量空間で観測するので価電子に敏感。
•実空間の波動関数を運動量空間に焼き直しても対称性は変わらない（波動関数の角度部分は同じ。例えばs電子,p電子,d電子…）A.Koizumi et. al. Phys. Rev. Lett. 86(2001)5589 、La2-2xSr1+2xMn2O7 のeg軌道
•回折を利用していないので単結晶である必要はない
なぜ運動量空間で観測？
多層膜の波動関数の異方性が観測できるのでは？
•垂直磁気異方性（Co層が薄い、Pd層が厚い）•次世代高密度磁気ストレージメディア（1TGb/inch2へ）
垂直磁気異方性と波動関数の関係？
円偏光硬X線（220keV（SPring-8)、60keV（KEK-PF-AR-NE1A1)が必要．．．
•薄膜より基板からの散乱がはるかに強いのでは？•そもそも薄膜（1μm）が観測できるの？
SPring-8（BL08W)の登場（KEK-PF-AR-NE1A1の高度化）
で初めて可能になった。
磁気多層膜の波動関数の初めての直接的観測 M.Ota et.al. J. Phys. Chem. Solids, Vol.65(2004)2065
Pd/Co人工格子
PET ： PolyEthylene Terephtalate（帝人デュポンフィルム株式会社）
Co 0.8nm
Pd 1.6nm
Co 0.8nm
Pd 1.6nm
ＰＥＴフィルム4μm
1μm
試料作製
Pd(4.0nm)/Co(0.8nm)
Pd(1.6nm)/Co(0.8nm)
Pd(0.8nm)/Co(0.8nm)
r.f.スパッタで作製
６０W、１Pa（群馬大学サテライトベンチャービジネスラボラトリー）
軽元素、厚さの薄い基板（PETフィルム）を利用
基板からの散乱が減少
X線回折（MoKα1)
0 10 20 30 40 50
Pd4.0nm/Co0.8nm
(log 1
0I)[
arb.
units
] Pd1.6nm/Co0.8nm
2θ/degree
fcc(111)
fcc(222)•（１１１）配向膜
•格子定数～fcc Pd
•中角に人工周期のサテライトピーク
磁化測定
-10000 0 10000
-400
-200
0
200
400
H [Oe]
M [e
mu/
cc]
X = 1.6 system
面内 面直
Pd1.6nm/Co0.8nm
-10000 0 10000
-200
-100
0
100
200
H [Oe]M
[em
u/cc
]
X = 4.0 system
面内 面直
Pd4nm/Co0.8nm
反磁場補正して垂直磁気異方性エネルギー
0.67Merg/cc 1.50Merg/cc
垂直磁気異方性エネルギーは Pd層の厚さに依存
面内配置（in-plane)
面直配置(out-of-plane)
ＳＳＤ(半導体検出器) スリット超伝導磁石
磁場２Ｔ
試料入射Ｘ線
散乱Ｘ線
ＳＳＤ(半導体検出器) スリット超伝導磁石
磁場２Ｔ
試料入射Ｘ線
散乱Ｘ線
Spring-8-BL08W 磁気コンプトンプロファイル測定実験配置
0 50 1000
2
4
6
8[×107]Co(0.8nm)/Pd(1.6nm) コンプトンスペクトル
compton
Pb K
Pb K
α1
α2
Pb Kβ1
Inte
nsity
[cou
nts]
Pd K
Pd K
α
β
Pb Kβ2
+2.5T
Energy [keV]
0 50 1000
2
4
6
8[×107]
compton
Pb K
Pb K
α1
α2
Pb Kβ1
Inte
nsity
[cou
nts]
Pd K
Pd K
α
β
Pb Kβ2
-2.5T
Energy [keV]
0 50 100
0
1
2
[×104]
Energy [keV]
Co(0.8nm)/Pd(1.6nm) 磁気コンプトンプロファイル
Inte
nsity
[cou
nts]
95 100 105 110
0
10000
20000
散乱X線のエネルギースペクトル
磁場反転したエネルギースペクトルの差をとる
横軸のエネルギーを電子の運動量に変換
hcp Coの格子定数c,aの比と異方性
Pd層の厚さ依存性は、
面内配置より面直配置で顕著に観測される。
hcp Coの格子定数の比（ c/a）の変化で説明
される
何が変わっているのか？何が変わっているのか？
Dots:experimentlines: calculated by BAND01
0 2 4 6 8 100
0.1
0.20.3
0.4
0.5
J mag
(pz)
(A.U
.-1)
hcp Coの格子定数の比c/a
Pd1.6nm/Co0.8nm Pd4.0nm/Co0.8nm c/a=1.46 c/a=1.62(hcp Co) c/a=1.79
in-plane
Pd1.6nm/Co0.8nm Pd4.0nm/Co0.8nm c/a=1.46 c/a=1.62(hcp Co) c/a=1.79
点は実験データ線はバンド計算（BANDS01)
0 2 4 6 8 100
0.1
0.20.3
0.4
0.5
pz/A.U.
J mag
(pz)(
A.U
.-1) out-of-plane
x or y
z
z : 試料の面直方向x, y : 試料の面内方向 dxy
x
y
dyz
y
zdxz
z
x
zdz2
x
ydx2-y2
|m| = 0
|m| = 1
|m| = 2
m : 磁気量子数
原子状態の3d電子の対称性を考慮したモデル計算
異方性の計算結果
0 2 4 6 8 100
0.2
0.4
0.6
0.8
pz/A.U.
J(p z
)/A.U
.1
out of plane
|m|=0 |m|=1 |m|=2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
J(p z
)/A.U
.1
in-plane
|m|=0 |m|=1 |m|=2
3d atomic model
-0.4
-0.2
0
0.2
(out of plane)-(inplane)
∆J(
p z)/A
.U.1
|m|=0
-0.4
-0.2
0
0.2
∆J(p
z)/A
.U.1
|m|=1
0 2 4 6 8 10
-0.2
0
0.2
0.4
∆J(
p z)/A
.U.1
pz/A.U.
|m|=2
3d atomic model による解析
Pd/Co人口格子の異方性は3d電子の|m|=1と|m|=2の割合で支配さ
れている。
|m|=1と|m|=2の割合の変
化は面直配置で顕著に観測される。
0 2 4 6 8 1000.10.20.30.40.50.6
J mag
(pz)
(A.U
.-1)
Co 3d atomic model
Pd1.6nm/Co0.8nm Pd4.0nm/Co0.8nm |m|=2(30%),|m|=1(40%),|m|=0(30%)
(,Pd1.6nm/Co0.8nm) |m|=2(50%),|m|=1(20%),|m|=0(30%)
(,Pd4.0nm/Co0.8nm)
in-plane
Pd1.6nm/Co0.8nm Pd4.0nm/Co0.8nm |m|=2(30%),|m|=1(40%),|m|=0(30%)
(,Pd1.6nm/Co0.8nm) |m|=2(50%),|m|=1(20%),|m|=0(30%)
(,Pd4.0nm/Co0.8nm)
点は実験データ線はバンド計算（BANDS01)
0 2 4 6 8 1000.10.20.30.40.50.6
pz/A.U.
J mag
(pz)(
A.U
.-1) out-of-plane
結論
Pd/Co人工格子の異方性はCo3d電子の異方性によって支配さ
れる。
Co3d電子の異方性はhcp Coの格子定数の比c/aで支配される
Pd層 薄い 厚い
Co層 c軸がのびる a軸がのびる
