2019 Fiscal Year Annual Research Report
超高品質ヘテロエピタキシャル技術による革新的高効率スピン流制御
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18H03860
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
大矢 忍 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (20401143)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | スピントロニクス / スピントランジスタ / スピン流 / ヘテロ構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
オールエピタキシャルのペロブスカイト酸化物LaSrMnO3(LSMO)/ LaAlO3(LAO)/ SrTiO3(SrTiO3)ヘテロ構造において、スピンポンピング実験を行い、6.7nmの逆エデルシュタイン長を得ることに成功した。この値は、LAO/STOを用いた系では世界最高値である。バンド構造を反映した理論計算を行い、この現象の温度依存性が非常に良く理論的に説明できることが明かになった。観測された現象が、内因性の逆エデルシュタイン効果に起因していることが示された。本成果は、Phys. Rev. Res. (Rapid Commun.)から出版された。また、強磁性半導体GaMnAsを用いてスピン流電流変換の研究を進めており、GaMnAs単膜に電流を流すだけで、10^5A/cm2台の極めて小さな電流密度で磁化が反転することが明らかになった。GaMnAsの内因性のスピン軌道相互作用に起因すると考えられる。本成果はNature Communicationsに掲載された。また、LSMO/STO/LAMOからなる強磁性トンネル接合を作製し、10^(-2) A/cm2という極めて小さな電流密度(金属系接合で磁化反転に必要な電流密度の約10^8分の1)で磁化が面内で90度反転する新しい現象が観測された［Phys. Rev. Applied (Letter)］。
一方、研究計画では予定していなかった全くの新しい現象も観測された。SrTiO3表面上では、従来n型伝導を有する２次元系のみが観測されており、p型伝導は極めて特殊な場合にしか得られないことが分かっていた。本研究では、薄い酸化鉄を積層するだけで、酸化物としては最も高い正孔移動度である24000 cm2/Vsを有するp型二次元伝導が得られることを初めて発見した。Adv.Mater.誌に成果が掲載された。今後の新たなスピン流電流変換の舞台として利用できると期待される。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
オールエピタキシャル単結晶酸化物２次元系や強磁性半導体を用いたスピン流電流変換の機能実現が着実に進んできており、磁化反転電流密度については、世界記録レベルの値が得られている。また、提案したスピン流電流変換の機構とは異なった方法での磁化反転も実現できるようになってきた。さらに、従来予期されていなかった高移動度２次元正孔ガスがSrTiO3表面で世界で初めて観測された(Adv. Mater.に論文掲載)。従来、二次元正孔ガスはSrTiO3表面上では実現が困難だとされてきており、本発見には極めて重要な意義がある。新たなスピン流電流変換の舞台として期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
LSMO/LAO/STOヘテロ構造において観測された大きな内因性の逆エデルシュタイン効果については、今後はゲート変調実験などを行い、理論計算も併用することにより、本現象をさらに深く考察するとともに、さらに逆エデルシュタイン長を増大させる方法や、より効率的に電流スピン流変換を行う方法について模索していきたい。物質の移動度やスピン軌道相互作用と、本系に特有のリフシッツ点を利用することにより、逆エデルシュタイン長などを制御できることが明らかになってきている。縦型スピントランジスタ構造に関しては、ペロブスカイト酸化物等を用いて、電界制御がある程度できるようになってきたため、さらにこの方向で研究を進めていきたい。論文化も進める予定である。今回発見された、バンド構造のエネルギーに依存して変わる電子の軌道の違いを利用することにより得られた極低消費電力磁化回転現象も、積極的に利用していきたい。また、強磁性半導体GaMnAsで観測された単膜におけるスピン軌道トルク磁化反転については、その起源を、膜厚依存性などの測定を丹念に行うことにより、様々な観点から追究していきたい。さらなる電流低減が可能かどうかも含めて検討していく。
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[Presentation] Transport Properties of Superconductor- Ferromagnetic- Semiconductor Heterostructures2019
Author(s)
K. Wickramasinghe, J. Yuan, K. Sardashti, M. Dartiailh, W. Mayer, M. Jiang, L. Anh, M. Tanaka, S. Ohya, V. Manucharyan, and J. Shabani
Organizer
The 35th North American Conference on Molecular Beam Epitaxy (NAMBE 2019), MBE-1WeM5
Int'l Joint Research
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