2015 Fiscal Year Annual Research Report
半導体における永久スピン旋回状態を基軸とした革新的スピン機能創出
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15H02099
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
好田 誠 東北大学, 工学研究科, 准教授 (00420000)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
新田 淳作 東北大学, 工学研究科, 教授 (00393778)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | スピン軌道相互作用 / 永久スピン旋回状態 / Rashbaスピン軌道相互作用 / Dresselhausスピン軌道相互作用 / 半導体量子構造 / 有効磁場 / スピン緩和 / 時間分解測定 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、半導体においてスピン情報が失われる「スピン緩和」を根本的に解決する技術革新を提供し、スピン緩和の制限を全く受けない新規スピン機能創発とその素子応用を図るものである。この目的のなかで半導体のスピン軌道相互作用が持つ内部対称性に着目し、スピン緩和が完全に抑制される永久スピン旋回状態の物理とそのデバイス応用を目指している。本年度は時間分解カー回転測定を構築すると共に細線構造における永久スピン旋回状態の実現とスピン緩和増大を試みてきた。この永久スピン旋回状態を実現する上では半導体量子構造におけるRashbaおよびDresselhausスピン軌道相互作用の強さを精密測定することが不可欠となる。これまでこの2種類のスピン軌道相互作用の評価にはドリフト輸送や空間分解を用いたKerr回転測定が用いられてきた。しかしながらこれらの手法では電場を印加する必要やレーザースポットを1um程度まで絞る必要があった。スピン軌道相互作用の精密評価は本研究において基盤技術となることから、電子の拡散運動を用いることでスピン軌道相互作用に起因する有効磁場をより簡便に測定する手法を考案し実証した。また、通常永久スピン旋回状態は2種類のスピン軌道相互作用の強さを等しくすることで初めて実現するものであり、そのためには外部からゲート制御などの手法が必要であった。RashbaもしくはDresselhausスピン軌道相互作用のみだけで永久スピン旋回状態が実現できれば、Rashbaスピン軌道相互作用の弱いGaNやZnOさらにはSiなどの材料系でも長距離スピン輸送が実現できる。そこで細線構造を用いた時間・空間分解Kerr回転測定により横方向の閉じ込めによっても同様に、永久スピン旋回状態が実現できることを示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度が本研究の初年度であったことから、時間分解カー回転測定によるスピンダイナミクス測定基盤の構築と微細加工および表解析手法に重点を置いて研究を推進してきた。その結果、電子の拡散運動を利用した新たな手法によるスピン軌道相互作用の評価手法を構築することができた。これまで電子の拡散領域におけるスピン軌道相互作用の物理については未解明なところが多かった。かつ構築した評価手法は電流印加や空間分解を一切必要としないことから迅速な評価技術となるため次年度以降新たな量子構造を用いた永久スピン旋回状態評価の基盤技術となる。さらに、微細加工を施した細線構造を用いることでも、永久スピン旋回状態が実現できることを明らかにした。通常永久スピン旋回状態は2種類のスピン軌道相互作用作用を等しくする必要があるが、横方向閉じ込めを用いることでRashbaもしくはDresselhausスピン軌道相互作用のみでも長距離スピン輸送が実現できることを意味する。このことは、GaAsに限らずRashaスピン軌道相互作用の弱いGaNやZnOさらにはSiやGeなどの材料系でも細線にすることで永久スピン旋回状態が実現できることを意味し、次年度以降の材料選択の幅を大きく広げるものとなった。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究では、構築してきた時間分解カー回転測定に加えて空間分解を組み込むことで微小空間におけるスピンダイナミクスの物理を明らかにする。それによって、永久スピン旋回状態が持つ潜在的なスピン緩和時間やスピン制御効率がどこまで向上するのかを明らかにする。同時に、スピンのドリフト輸送はデバイス応用上重要であることから、ドリフトスピン輸送が生み出す有効磁場とその物理について掘り下げて研究を進めて行く予定である。一連の研究を通して今年度構築した基盤技術をもとにして、スピン輸送やスピン制御の最適な条件を明らかにすると共に新しい材料系や量子構造にも着目することでより長距離スピン輸送できる系を探索していく
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Research Products
(9 results)
