2016 Fiscal Year Annual Research Report
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15H05699
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
新田 淳作 東北大学, 工学研究科, 教授 (00393778)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
好田 誠 東北大学, 工学研究科, 准教授 (00420000)
手束 展規 東北大学, 工学研究科, 准教授 (40323076)
塩貝 純一 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (30734066)
眞田 治樹 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子光物性研究部, 特別研究員 (50417094)
国橋 要司 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子光物性研究部, 研究員 (40728193)
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| Project Period (FY) |
2015 – 2019
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| Keywords | スピン軌道相互作用 / スピン緩和機構 / スピンホール効果 / スピン軌道トルク / スピントランジスタ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
スピン軌道相互作用は、電界等電気的なスピン生成・操作・検出を可能にするため、スピントランジスタなど次世代のスピントロニクスにおける重要な要素技術を提供する物理現象として期待されている。平成28年度は、ラッシュバスピン軌道相互作用の強い半導体を用いて作製した2つの量子ポイントコンタクトを用いて電気的なスピン生成と検出が可能である事を実験的に実証した。また、2つの量子ポイントコンタクトの間で散乱無くスピンが伝導する際はスピン角運動量と電子運動量間のロッキングが生じていることを確認した。
高感度の空間分解Kerr効果測定系を用いて、n型GaAs量子井戸内で電子スピンを面内電場によりドリフト輸送させる実験を行い、従来から知られるゲート電圧依存のラシュバスピン軌道相互作用とは異なる「ドリフト誘起スピン軌道相互作用」が存在することを示した。また、アンドープGaAs量子井戸において10ナノ秒以上持続するKerr回転信号を発見し、長寿命の電子スピンがスピン軌道相互作用による有効磁場を感じながら低速で拡散することを明らかにした。
また室温動作を可能とするスピン軌道相互作用の強い金属・金属多層膜、遷移金属酸化物のスピン伝導特性を実験的に調べた。まず、スピン軌道相互作用が強い重金属Pt, Taのエピタキシャル薄膜を作製しスピン伝導特性を調べた。その結果、これらエピタキシャル薄膜は界面の反転対称性の破れに起因して従来のスピン緩和と異なりディアコノフ-ペレル・スピン緩和機構が優勢となることを突き止めた。この結果は、金属界面に生じるスピン軌道相互作用のゲート制御可能性を示すものであり、プレスリリースした。
スピン軌道相互作用の強さの異なる重金属材料を用いたTa/Ru、Pt/W多層膜を作製した。X線回折の結果より、それぞれの元素が混ざっていないことを確認した。また、それら多層膜を下地層とするCoFeBを垂直磁化する事に成功した。また、強磁性トンネル接合のフリー層に重金属を挿入することで、低抵抗・高出力化の素子が作製できた。さらに、スピン軌道相互作用が大きいことが期待できる遷移金属酸化物の高品質薄膜成長とその輸送特性の評価に取り組んだ。薄膜成長の酸素雰囲気を変えることで酸化度を制御する技術を確立し、薄膜の磁気抵抗効果が酸化度に大きく依存することを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
電界印加ドリフトによるスピン長距離輸送に成功するとともに、ラッシュバスピン軌道相互作用の強い半導体ヘテロ構造を用いて作製した2つの量子ポイントコンタクトを用いることによりスピンの電気的な生成と検出を同時に実現する事に成功した。これまでに電界を用いたスピン操作とスピン長距離輸送に成功しており、半導体スピントロニクスに向けての要素技術が全て揃ったことになる。
室温動作を可能にする金属系のスピン軌道相互作用の研究は、エピタキシャル薄膜を用いる事によりヘテロ界面の反転対称性の破れがスピン伝導と緩和機構に大きな影響をもたらしていることを明らかにした。この成果は、金属薄膜界面におけるスピン軌道相互作用のゲート電界制御の可能性を示すとともに、半導体ヘテロ界面で期待されるスピン緩和機構と同様である事から理論家の研究対象となり、ドイツの理論グループが第一原理計算によって我々の実験の正当性を証明した。これらの結果は従来の金属とは異なるスピン軌道トルクで磁化反転を駆動出来る可能性を示唆している。
スピン軌道相互作用に起因したスピンホール効果やスピン蓄積を用いた磁性体の磁化反転は室温動作可能なスピントロニクスデバイスにおいて極めて重要である。H28年度より高効率なスピン軌道トルクやスピンフィルター機能の実現を目指してTa/Ru、Pt/W多層膜構造の研究に着手し超格子構造が得られつつある。半導体系で得られたスピン軌道相互作用に関する知見を金属系に応用展開する準備が整いつつある。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに起源の異なる2つのスピン軌道相互作用の精密制御により永久スピンらせん状態とその逆状態を電界制御すると共に電気的スピン注入を実証できたことから将来のスピントロニクスデバイスに必要不可欠となるスピン生成と制御が既に確立できたことになる。ラッシュバスピン軌道相互作用の強い半導体へテロ構造を用いて作製した2つの量子ポイントコンタクトを用いることによりスピンの電気的な生成と検出を同時に実現する事に成功した。よって今後のスピンデバイスに向けた要素技術が構築できた。
平成29年度以降は、半導体系のスピンオービトロニクスを深化させるとともに、半導体系で得られた要素技術化やデバイス化の知見をスピン軌道相互作用のより強い金属系・酸化物系に応用展開する。スピン軌道相互作用が強い物質を組み合わせたヘテロ構造や超格子構造などの薄膜積層構造の作製に展開し、界面における新規スピン物性の探索を狙う。
具体的にはGaAs系の量子構造に巨大スピン軌道相互作用が期待されるBiを添加するなど、これまでと異なる条件のもとでMBE成長を行い、前年度までに確立した光学的手法を用いてスピン緩和時間やスピン軌道相互作用への影響を調べる。また、ドリフトスピンの輸送経路を高速かつ精密に変化させることで、スピンコヒーレンスを幾何学的に制御する実験を行う。
前年度に引き続き、単結晶薄膜Pt, Taのスピン軌道相互作用のゲート電界制御の可能性を探究するとともに、磁性体薄膜とのヘテロ構造を作製し、巨大なスピン軌道相互作用による磁化反転機構の解明、磁区構造を決定する要因を解明する。このため、スピントルク発生に有効な磁性体/重金属のヘテロ構造の探索とスピン軌道相互作用によるスピントルクの評価方法を確立する。
スピン軌道超格子の材料開発進行を加速させるため、Ta/Ru、Pt/Wの多層膜人工格子を下地層とするCoFeB膜を作製し、その試料のスピンホール角の測定を行う。またスピン軌道相互作用の強い重金属を電極層に挿入した強磁性トンネル接合の膜構成と電場誘起磁気異方性の関係について研究を行う。
これまでスピン軌道相互作用が大きいことが期待できる遷移金属酸化物の高品質薄膜成長とその輸送特性の評価に取り組んできた。薄膜成長の酸素雰囲気を変えることで酸化度を制御する技術を確立し、薄膜の磁気抵抗効果が酸化度に大きく依存することを明らかにした。今後は、対象物質を他の重金属酸化物に展開し、より系統的な評価を行うことで、d電子の充填率とスピン軌道相互作用の関係を明らかにし、スピン軌道相互作用の大きな物質の探索に取り組む。
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[Presentation] Topological effects in spin interference2016
Author(s)
H. Saarikoski, J. Vazquez-Lozano, J. P. Baltanas, J. Nitta and D. Frustaglia
Organizer
9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids
Place of Presentation
Kobe, Japan Kobe International Conference Center
Year and Date
2016-08-08 – 2016-08-11
Int'l Joint Research
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