2018 Fiscal Year Research-status Report
超伝導磁気メモリのためのハーフメタル型ジョセフソン素子に関する研究
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16K04933
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| Research Institution | Kagoshima University |
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Principal Investigator |
重田 出 鹿児島大学, 理工学域理学系, 助教 (30370050)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | ハーフメタル / ホイスラー合金 / 超伝導 / ジョセフソン効果 / アンドレーエフ反射 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超伝導デジタル回路は，ジョセフソン素子の高速性・低消費電力性と共に，超伝導体本来の特性でもある無損失性という特徴をもつ。近年，超伝導デジタル回路の消費電力の低減化は急速に進んでいる。一方で，低消費電力・低温動作可能な超伝導メモリは，磁束量子の保持による記録に代わり，素子内に組み込まれた磁性体の磁化の向きで記憶素子を構成する方式が提案され，その集積化の可能性から研究が活性化している。そこで本研究の目的は，ハーフメタルホイスラー合金と超伝導体を用いたエピタキシャル多層膜の成膜技術とナノサイズ素子の加工技術を利用し，超伝導デジタル技術に必要な超伝導磁気メモリ(超伝導MRAM)のためのハーフメタルジョセフソン素子の作製と特性評価に取り組むことである。
これまでの研究において，超伝導体NbNとハーフメタルホイスラー合金Co2(Fe,Mn)Siをエピタキシャル成長させた二層膜の作製条件の最適化に成功し，高い超伝導転移温度と，Co2(Fe,Mn)Siのバルクの値とほぼ等しい自発磁化をもつことを明らかにした。次いで，成膜した二層膜を用いた強磁場中輸送特性の測定を行った。超伝導ゆらぎ理論の解析を進めることによって，ジョセフソン素子特性を最適化する際に重要となるコヒーレンス長や上部臨界磁場，対破壊パラメータ，拡散定数，非弾性散乱時間などの導出にも取り組んだ。そして，強磁場中輸送特性の解析から得られたパラメータの値に基づいて，NbN/Co2(Fe,Mn)Si/NbN構造のハーフメタルジョセフソン素子の作製と評価を行った。
また，成膜したCo2(Fe,Mn)Siのスピン分極率を直接決定し，Co2(Fe,Mn)Siが高いスピン分極率をつことを明らかにすることは，Co2(Fe,Mn)Siのハーフメタル性を保証するために重要である。そこで，NbN/Co2(Fe,Mn)Si構造のエピタキシャル接合アンドレーエフ反射(ECAR)分光法を開発し，ホイスラー合金Co2(Fe,Mn)Siのスピン分極率の決定にも取り組んだ。
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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
ハーフメタルであるCo2(Fe,Mn)SiがNbNの超伝導性に与える影響を調べるために，エピタキシャル成長させたNbN/Co2(Fe,Mn)Si構造の二層膜の超伝導特性を調べた。16Kの高い超伝導転移温度と23Tの高い上部臨界磁場をもつことがわかった。さらに，Co2(Fe,Mn)Siバルクの値とほぼ等しい自発磁化を有していることも明らかになり，超伝導体NbNとホイスラー合金Co2(Fe,Mn)Siの良質な二層膜の成膜に成功した。
そこで，最大17Tの強磁場中輸送特性の測定に取り組み，超伝導ゆらぎ理論に基づいた解析から，コヒーレンス長や上部臨界磁場，対破壊パラメータ，拡散定数，非弾性散乱時間などを見積もった。さらに，磁束運動の活性化エネルギーの評価も行った。これらの値は，Co2(Fe,Mn)SiとNbNを用いたジョセフソン素子をはじめとする超伝導スピントロニクス素子の特性を最適化する上で重要な情報である。以上の研究成果を踏まえて，最適化した条件を用いて，Co2(Fe,Mn)Siの膜厚を変化させたNbN/Co2(Fe,Mn)Si/NbN構造の三層膜を成膜した。この三層膜を用いてハーフメタルジョセフソン素子を作製し，その素子特性の評価にも取り組んでいる。
さらに，このNbN/Co2(Fe,Mn)Si構造の二層膜から，エピタキシャル接合アンドレーエフ反射(ECAR)素子を作製した。ECAR分光法によるCo2(Fe,Mn)Siのスピン分極率の測定にも取り組み，ホイスラー合金Co2FeSiのスピン分極率を54±2%と決定することができた。これまでのスピン分極率の報告に関しては，点接触型アンドレーエフ反射(PCAR)法が主流であった。したがって，素子界面を原子レベルで制御したECAR分光法を用いて，ホイスラー合金のスピン分極率測定に成功した初めての研究成果である。ゆえに，このECAR法を確立することによって，ハーフメタルジョセフソン素子をはじめとして，超伝導スピントロニクス素子に用いるハーフメタルホイスラー合金のスピン分極率を直接決定することが可能となった。
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| Strategy for Future Research Activity |
NbN/Co2(Fe,Mn)Si構造の二層膜に関しては，異なる組成や膜厚の二層膜の強磁場中輸送特性の測定を継続する。超伝導ゆらぎ理論を用いた解析や磁束運動の活性化エネルギーの解析を進めることによって，超伝導近接効果を介したハーフメタルホイスラー合金の超伝導特性への影響を明らかにする。
最適化した成膜条件を用いて，エピタキシャル成長させたNbN/Co2(Fe,Mn)Si/NbN構造のハーフメタルジョセフソン素子の作製と特性の評価を継続する。ハーフメタル層であるCo2(Fe,Mn)Siの膜厚を変化させたジョセフソン素子を作製し，その素子特性のCo2(Fe,Mn)Siの膜厚依存性を調べることによって，ハーフメタルジョセフソン素子の特性を検証する予定である。
さらに，NbN/Co2(Fe,Mn)Si構造のエピタキシャル接合アンドレーエフ反射(ECAR)素子を用いたアンドレーエフ反射分光法に関しては，Co2FeSiとは組成の異なるCo2(Fe,Mn)Siのスピン分極率の測定を継続し，Co2(Fe,Mn)Siのスピン分極率の組成依存性を明らかにする。
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| Causes of Carryover |
ハーフメタル材料の膜厚依存性やホイスラー合金の組成依存性を調べるとともに，電子ビーム描画装置を用いて現状の素子よりも微細なサイズの構造の加工を施し，超伝導スピントロニクス素子の特性向上を試みる。そして，その素子特性の評価および再現性を確認する。それらのために必要な経費を次年度に持ち越す。
得られた研究成果は，学会での発表や論文として投稿する予定である。
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[Journal Article] Epitaxial contact Andreev reflection spectroscopy of NbN/Co2FeSi layered devices2018
Author(s)
Iduru Shigeta, Takahide Kubota, Yuya Sakuraba, Cor G. Molenaar, Joost N. Beukers, Shojiro Kimura, Alexander A. Golubov, Alexander Brinkman, Satoshi Awaji, Koki Takanashi, Masahiko Hiroi
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Journal Title
Applied Physics Letters
Volume: 112
Pages: 072402(1)-(5)
DOI
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[Journal Article] Pressure effect on the magnetic properties of the half-metallic Heusler alloy Co2TiSn2018
Author(s)
Iduru Shigeta, Yutaro Fujimoto, Yuya Nishisako, Ryutaro Ooka, Masahito Tsujikawa, Rie Y. Umetsu, Akiko Nomura, Kunio Yubuta, Yoshio Miura, Takeshi Kanomata, Masafumi Shirai, Jun Gouchi, Yoshiya Uwatoko, Masahiko Hiroi
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 97
Pages: 104414(1)-(8)
DOI
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