2016 Fiscal Year Annual Research Report
2次元原子層超伝導体を用いた革新的スピントロニクスデバイスの創製
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16H05964
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
新見 康洋 大阪大学, 理学研究科, 准教授 (00574617)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | スピンエレクトロニクス / メゾスコピック系 / 低温物性 / 超薄膜 / 超伝導材料・素子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
スピン角運動量の流れである「スピン流」は、スピントロニクス研究の根幹を担う。スピン流を効率よく生成・検出するために、これまで様々な研究が行われているが、スピン流を用いたデバイス応用に向けて解決すべき課題は多い。最近の研究で、超伝導体にスピン流を注入すると、スピン流の検出効率が劇的に増大することが報告されている。しかし、一般に超伝導状態は低温に限られるため、より超伝導転移温度Tcの高い超伝導体での研究が必要である。そこで本研究課題では、原子層物質で超伝導転移するNbSe2やFeSeを用いて、スピン流の検出効率を劇的に向上させることを目的としている。2次元原子層超伝導体の最大の利点は、電界でTcを変調できる点にある。特にフェルミエネルギーが小さなFeSeでは、大幅なTcの増強が期待できる。さらに本研究では、超伝導スピントロニクスの将来性を実証するための重要な応用例として、2次元原子層超伝導体をスピン流検出に、グラフェンをスピン流伝搬に用いた超高感度磁気センサを開発することが最終的な目標である。
昨年度は、典型的な2次元原子層超伝導体であるNbSe2をスピン流素子に組み込むために、超伝導性を維持したままNbSe2を細線にすること、さらにスピン流素子を作製して、実際にスピンホール効果の測定を行うところまでを目標に研究を進めた。膜厚20 nm程度のNbSe2薄膜を、アルゴンミリング法により幅300 nmの細線にしても、超伝導性を保てることが分かった。またこのNbSe2細線をスピン流素子に組み込み、逆スピンホール効果を測定した結果、Tc以上の10 Kで信号の検出に初めて成功した。NbSe2の逆スピンホール効果の符号は単体NbやNbNと同様に負となり、Nbのスピン軌道相互作用が支配的であることが分かった。現在、Tc以下でのNbSe2細線の逆スピンホール効果の測定を試みているところである。
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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
昨年度の最大の目標は、原子層超伝導体をスピン流素子に組み込むために、サブマイクロメートルの細線に加工しても超伝導性が維持できるかということであった。バルクのNbSe2の超伝導転移温度Tcは7.2 Kであるが、300 nmの細線に加工することで約半分程度にまで減少してしまったが、超伝導転移自体は実現していること、またTc以上ではあるが、NbSe2の逆スピンホール効果の検出に初めて成功したこともあり、「（2）おおむね順調に進展している」を選択した。
将来的には、電界効果でTcを大きく増強できるFeSeを用いる予定であるが、FeSeは大気暴露に非常に弱いことが指摘されている。したがって、いかに大気暴露させずに素子作製できるかが本研究課題達成のために重要である。昨年度末に納品されたグローブボックスを用いて、すでに数原子層程度のNbSe2薄膜を、高いTcを保ったまま作製できていること、また最終的には原子層超伝導体とグラフェンを組み合わせた素子を作製するが、この予備実験も先取りして昨年度中に行えたことも、「（2）おおむね順調に進展している」を選択した理由として挙げられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は、超伝導状態におけるスピンホール効果の測定を本格的に行う。特に大気暴露に弱いFeSeを用いた研究には、全ての工程を大気暴露させないグローブボックスとそれと直結した真空蒸着装置の使用が必須である。グローブボックスに関しては、酸素・水分濃度1ppm以下に制御できるグローブボックスを28年度末に納品した。NbSe2薄膜を用いて、すでにグローブボックスのテストを行っており、大気暴露下では超伝導転移しなかった厚さ8 nm程度のNbSe2でも超伝導転移することを確認している。グローブボックスに取り付ける真空蒸着装置についても今年度の早い段階で納品する予定で、この真空蒸着装置まで取り付けが完了すれば、全ての素子を一度も大気暴露せずに作製することが可能となり、大きな研究の進展が見込める。またFeSeはNbSe2に比べて圧倒的に電界効果が大きく、10倍近いTcの増強が期待できるため、NbSe2のTc以下で巨大スピンホール効果が観測されれば、直ちにFeSe薄膜を用いた研究に取り掛かる予定である。
さらにグラフェンと原子層超伝導体を重ね合わせたデバイスを作製し、実際にわずかな磁化揺らぎを検出できる超高感度磁気センサを開発するところまでが本研究課題の目的であるが、現段階ではグラフェンとNbSe2を重ね合わせて電気抵抗を測るところまでしか達成できていない。これに関しては、微細加工を施したグラフェン細線と原子層超伝導体細線をさらに精度よく重ね合わせることができれば、十分に達成できると考えられる。
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[Presentation] Spin transport in superconducting Bi/Ni bilayers2016
Author(s)
N. Kabeya, M. Maeda, T. Kawamura, H. Taniguchi, T. Arakawa, Y. Niimi, K. Kobayashi, X.-X. Gong, D. Yue, and X.-F. Jin
Organizer
9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids (PASPS9)
Place of Presentation
神戸
Year and Date
2016-08-08 – 2016-08-11
Int'l Joint Research
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