Spin current amplifier

Research Project

Project/Area Number	22K18935
Research Category	Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Medium-sized Section 28:Nano/micro science and related fields
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	Hayashi Masamitsu 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (70517854)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	河口真志東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (90792325)
Project Period (FY)	2022-06-30 – 2024-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000) Fiscal Year 2023: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000) Fiscal Year 2022: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Keywords	スピン流 / 半導体 / 接合 / トポロジカル絶縁体 / ディラック半金属 / 移動度 / pn接合
Outline of Research at the Start	本研究ではスピン流生成効率が大きい半金属や狭ギャップ半導体を用いてバイポーラトランジスタなどを作製し、スピン流を増幅できるスピン流アンプを開発する。具体的にはスピンホール効果と逆スピンホール効果を利用して、電子とホールによるスピン流と電流の相互変換を行い、スピン流を増幅する。スピン流を用いた回路の基本要素であるスピン流アンプを実現し、スピン流物理の解明とそれを利用したデバイスに革新を起こす。
Outline of Final Research Achievements	We have succeeded in developing n-type and p-type spin sources with high carrier mobility. The sources are Bi2Te3 and Sb2Te3 thin films, respectively. Current induced magneto-optical Kerr effect was used to determine the efficiency of spin current generation. Moreover, a Bi2Te3/Sb2Te3 bilayer was formed to study the effect of the np interface on the spin transport properties. We find a current induced magneto-optical signal unique to the bilayer, which indicates contributions from the interface state on the spin current generation. Further studies are required to determine how the pn and np junction contributes to generation, diffusion and relaxation of spin current, which are essential to develop a spin current amplifier.
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	本研究では半金属や狭ギャップ半導体を用いて、pn接合の作製した。試料は多数キャリアが電子のBi2Te3と、ホールのSb2Te3を組み合わせて作製した。Bi2Te3、Sb2Te3どちらも移動度が大きく、有意なスピン流が生成されることを確認した。Bi2Te3/Sb2Te3接合を作製した結果、接合特有のスピン流の検出に成功した。スピンが関与するpn接合の作製はこれまでほとんど行われておらず、学術的意義が大きい。今後、スピン流を増幅できるスピン流アンプに展開できる可能性があり、本成果を土台に研究が大きく発展することを期待する。