2017 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 | スピントロニクス / メゾスコピック系 / 超伝導体 / 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、スピンホール効果の測定を行うこと、また新しい2次元原子層超伝導体として、高温超伝導体Bi2Sr2CaCu2O8+xを薄膜化すること、を目的として研究を進めた。
NbSe2薄膜に関して、細線加工及び細線の超伝導転移を確認するところまでは達成できたが、細線加工の技術的な問題で、超伝導体NbSe2細線における超伝導スピンホール効果の観測まで出来なかった。一方、昨年度新たに進めた高温超伝導体薄膜の作製に関しては、膜厚20 nm程度でも80Kという高い超伝導転移温度を保持できることを実証した。
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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
昨年度は、グローブボックス内で薄膜化したNbSe2のTcをできるだけ維持したまま、スピン輸送素子に組み込むことを目標に研究を進めた。一昨年度までにスピン輸送素子自体をNbSe2薄膜で作製すること、また常伝導状態におけるNbSe2のスピンホール効果の測定には成功していたが、一昨年度に行っていた液体を使用する素子作製プロセスでは、細線の超伝導転移は見込めないことが分かった。そのため、昨年度の途中から液体を全く利用しないドライプロセスに変更したが、今度は細線加工の際に出る削りくずが細線の端に溜まってしまい、これがスピン流輸送の大きな障害になり、スピンホール効果の観測はできていない。
一方で、新しい原子層超伝導体として、最終年度に取り組む予定にしていた銅酸化物高温超伝導体Bi2Sr2CaCu2O8+x（Bi2212）を用いた研究を先取りして進めた。Bi2212を薄膜にすること自体は容易であったが、そこに電極を取り付けて、電気抵抗測定を行うプロセスはその他の原子層物質とは異なり、容易ではなかった。最終的には酸素雰囲気下で熱処理を施すという、その他の原子層物質では行わない手法を取り入れることで、転移温度を下げることなく、薄膜Bi2212の超伝導転移の観測に成功した。またこの成果をまとめた論文を執筆し、現在査読中である。
細線加工に関してはすでに問題解決の方針を立てられていること、また最終年度に行う予定だったBi2212の研究を先取りして行え、論文執筆もできたことから「（2）おおむね順調に進展している」を選択した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は、原子層超伝導体薄膜を細線状に加工し、スピン輸送素子に取り込み、超伝導スピンホール効果の実現を目指す。上述したように、細線状に加工する際、削りくずが細線の端に堆積することが大きな問題であった。これはアルゴンイオンミリングを斜め方向から行い、さらにミリングを行う際に、基板を回転させることで解決できると考えている。現在、すでにその条件出しを行う準備をしており、削りくずが堆積しない最適条件が得られ次第、直ちにスピン輸送素子に取り込み、超伝導スピンホール効果の観測を目指す。すでに原子層超伝導体としては、NbSe2だけでなく、高温超伝導体Bi2212も薄膜化に成功しているので、大きな研究の進展が見込める。
また新たな超伝導薄膜として、電界効果で大きな超伝導転移温度の増強が見込めるFeSeを用いた研究も開始する予定である。
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。今年度は最終年度での目標達成に向けて、グラフェン細線と原子層超伝導体細線を重ね合わせた構造を用いたスピン輸送素子の作製も行う。原子層薄膜同士を重ね合わせたスピン輸送素子の作製はすでにスペインのグループが実現をしており、今年度中に実現させ、最終年度での目標達成につなげたいと考えている。
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Research Products
(42 results)
