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	林将光東京大学, 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	Granted (Fiscal Year 2022)
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 / 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 Annual Research Achievements	申請者らのこれまでの研究から、半金属や狭ギャップ半導体のスピン流生成効率はキャリアの移動度に依存し、大きなスピン流生成効率を得るには移動度を大きくすることが必要であることがわかった。また、pn接合やトランジスタの動作特性の観点からも大きな移動度を有する材料の確保は必須である。そこで本研究ではまず、分子線エピタキシー法を利用して移動度が高く、かつスピン流生成効率が高い、高品質の薄膜材料を開発する。本年度はトポロジカル絶縁体Bi2Te3、Sb2Te3、さらには(Bi1-xSbx)2Te3などの化合物を分子線エピタキシー法を用いて作製した。X線回折、X線反射と反射高速電子線回折法（RHEED）を用いて作製した薄膜の構造を解析し、平坦で高配向の薄膜が成長していることを確認した。さらに作製した薄膜の磁気抵抗を調べた結果、シュビニコフ・ドハース振動が観測され、移動度が大きい試料の作製に成功した。ホール効果等を使ってキャリアの種類を調べたところ、Bi2Te3とBi-richの(Bi1-xSbx)2Te3では多数キャリアが電子、Sb2Te3とSb-richの(Bi1-xSbx)2Te3では多数キャリアがホールであることがわかった。(Bi1-xSbx)2Te3ではSbのドープ量（x）に比例してキャリア密度が変化する傾向があることがわかったが、ホール効果を使ってキャリア密度を評価する手法の精度に問題があるとする結果が最近報告されており、今後検証する。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 高移動度を有する試料等の作製に成功しており、計画は順調に進展している。
Strategy for Future Research Activity	今後は作製した薄膜試料をベースに、キャリアの符号が異なるp型とn型の接合を作製する。作製したpn接合の輸送特性を評価し、接合の界面状態を明らかにする。また接合のスピン輸送特性や光学応答を調べ、スピンアンプ作製に向けた準備を行う。一方、最近問題となっているキャリア密度の評価手段についても調査を行い、精度良く決定できる手法の確立を目指す。