2020 Fiscal Year Annual Research Report
Metal-oxide spin-orbit electronics
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19H00864
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
安藤 和也 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (30579610)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
史 蹟 東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (70293123)
望月 維人 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (80450419)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | スピントロニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、金属酸化物に注目した電流とスピン流の間の変換に関する研究を推進することで、バルク・界面を包括するスピン軌道エレクトロニクスを体系的することである。今年度は、バルク効果によるスピン流変換に注目した研究を進めた。スピントロニクス素子において、バルク効果と界面効果は一般に共存する。バルクを絶縁体化することで界面効果を調べることが可能であるのに対し、界面効果が無視できない場合、バルク効果を分離して定量する手法は明らかでない。本研究では、典型的なスピントロニクス素子である強磁性金属/重金属ヘテロ構造において生成されるスピン軌道トルクの精密測定により、バルクスピン流変換に起因するスピン軌道トルクが強磁性層の電子構造に強く依存することを明らかにした。このことは、酸化効果に対しても強磁性層の電子構造が重要となることを示唆しており、界面酸化に対するスピン軌道トルク測定からこれを実証した。以上の結果は、酸素導入したスピントロニクス素子では顕著な界面スピン軌道相互作用の効果により、バルク効果の精密測定が困難であることを示唆している。本研究では、スピントロニクス素子への水素導入によってこれを回避できることを見出し、バルク効果に起因するスピン軌道トルクの可逆制御を実現した。さらに、バルクスピン軌道トルクの変化は、バルクスピンホール効果の変化ではなく、スピン拡散長の変化に伴う界面スピン透過率の変化が支配的であることを明らかにした。
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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
これまでの研究により、強磁性/酸化物界面におけるスピン流変換は界面酸化レベルに極めて敏感であることを明らかにし、界面波動関数の非対称性に注目したスピントロニクス素子性能最大化の設計指針が明らかになった。これは、スピントロニクス素子への酸素導入が界面スピン軌道相互作用に対して顕著な効果を示すものであり、この効果がさらに強磁性層の電子構造に強く依存することまで明らかにした。界面スピン軌道相互作用の効果は、界面スピンロスによりバルク効果によるスピン軌道トルクへも影響を与えるため、酸素導入したスピントロニクス素子においてはバルク効果によるスピン流変換の定量測定が困難になるが、水素導入によりこの問題を回避可能であることを見出した。これにより、界面効果によるスピン軌道トルクのみならず、バルク効果によるスピン軌道トルクの制御原理も明らかにするに至った。この結果は、これまで重元素を中心としたスピントロニクス現象の開拓・スピントロニクス素子設計において、軽元素の重要性を明らかにしたものである。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究により、酸素を中心とした軽元素がスピントロニクス素子における界面・バルクスピン流変換の効果的制御を実現することを明らかにした。現在のところ、バルク効果によるスピン軌道トルク変化の起源はスピン拡散長の変化に伴う界面スピン透過率の変化が支配的であり、バルクスピン流変換の明確な変化は得られていない。これまでの結果を念頭に、強いバルクスピン軌道相互作用を示すPt及びPdに注目し、軽元素を用いたバルクスピン流変換の制御の実現を目指す。これにより、バルク・界面スピン流変換の制御指針を明らかにし、スピン流変換効率の増大へとつなげる。
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