2019 Fiscal Year Final Research Report

Spin-orbit Engineering

Research Project

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Project/Area Number	15H05699
Research Category	Grant-in-Aid for Specially Promoted Research
Allocation Type	Single-year Grants
Review Section	Science and Engineering Engineering
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	NITTA Junsaku 東北大学, 大学院工学研究科, 教授 (00393778)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	KOHDA Makoto 東北大学, 工学研究科, 准教授 (00420000) TEZUKA Nobuki 東北大学, 工学研究科, 准教授 (40323076) SHIOGAI Junichi 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (30734066) SANADA Haruki NTT物性科学基礎研究所, 量子光物性研究所, 特別研究員 (50417094) KUNIHASHI Yoji NTT物性科学基礎研究所, 量子光物性研究部, 研究主任 (40728193) GOTOH Hideki NTT物性科学基礎研究所, その他, 所長 (10393795) SOGAWA Tetsuomi NTT物性科学基礎研究所, その他, 所長 (70211993) TANAKA Yusuke NTT物性科学基礎研究所, 量子光物性研究部, 所員 (40787339)
Project Period (FY)	2015 – 2020
Keywords	スピントロニクス / スピン軌道相互作用 / スピン電場操作 / スピン生成・制御・検出機能 / 永久スピン旋回状態 / スピン軌道トルク
Outline of Final Research Achievements	We have realized a novel spin device that integrates spin generation, control, and detection functions into a single semiconductor nano-transistor. The problem of spin relaxation has been solved by introducing Dresselhaus spin-orbit interaction (SOI) in addition to Rashba SOI, and we have realized persistent spin helix state with long-distance spin transport. Furthermore, more than 10 times longer spin propagation distance is achieved by spin-drift transport. From the above, we have established the integration of spin functions, the extension of spin life, rotation control, and long-distance spin transport technology. It has been discovered that a spin relaxation mechanism in epitaxially grown metal thin films is different from that of polycrystalline thin films. We have also found that the interfacial Rashba SOI is enhanced in the epitaxial metal/magnetic structures, and realized a magnetic-field-free magnetization reversal device at room temperature.
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	これまで「スピン」は主に磁場により制御されてきたため、空間的(局所的)、時間的高速な操作ができず省電力も困難である。このため「スピン」を新たな情報担体とするには電場によるスピン操作が不可欠である。本特別推進研究により、スピン緩和の問題点を解決するとともに電場によるスピン生成・制御・検出機能の統合、スピンの長寿命化、回転操作、および長距離輸送技術を確立し電子スピンを用いた量子情報やスピントロニクスの分野発展に大きく貢献する。またスピン軌道相互作用の概念は様々な学問領域、材料の枠を越えて普遍的な効果として認識されつつあるため、ここで得られた研究成果の学術的な意義も大きい。
Free Research Field	理工系(工学)