2020 Fiscal Year Annual Research Report
電子軌道制御を利用した新しい超低消費電力磁化スイッチング
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19K21960
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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) |
2019-06-28 – 2021-03-31
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| Keywords | 電子軌道 / 磁気異方性 / 磁化回転 / 単結晶ヘテロ構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
電子スピン自由度を用いたエレクトロニクスデバイスの実用化において、強磁性体の磁化方向スイッチに必要な電力の低減は極めて大きな課題である。現在のスピントランスファートルク方式等では、10^6～7 A/cm2 程度の大電流が必要である。近年筆者らは、同一物質内において、フェルミレベル(EF)に位置する電子の軌道の種類等を変えることにより、磁化の向きやすい方向(磁気異方性)の対称性自体が大きく変わることを発見した。また、状態密度を量子サイズ効果により離散化し、それらのエネルギーを人工的に設計すれば、磁化スイッチに必要な電圧を自由に設定できる可能性がある。そのためには、電子のコヒーレンスが重要であり、高品質ヘテロ構造が不可欠である。本研究では、EF近傍に複数の異なる軌道を有する高品質な単結晶強磁性ヘテロ界面を実現し、電子濃度変化により起こる磁化スイッチに必要な電圧値を「人工的」に制御し、超低消費電力磁化スイッチの実現を目指す。将来的は磁化スイッチに必要な電力を無限小まで抑えられると期待される。
昨年度、高品質単結晶ペロブスカイト酸化物ヘテロ構造LaSrMnO3/SrTiO3/LaSrMnO3において、15～200mV程度の極低電圧かつ、10^-2A/cm2という現在のスピンデバイスで磁化反転に必要な電流密度の約8桁小さな電流密度で、磁化を膜面内で90度回転させることに成功した[Phys. Rev. Applied.(Letter)(2019)]。今年度は、本成果について、理論的な検証を進めた。界面の結晶場の減少により、eg軌道とt2g軌道が近づいていることが明らかになった。また、強磁性半導体GaMnAsの量子ヘテロ構造において同様の効果を誘起出来るか、検討を進めた。GaMnAs量子井戸における明瞭な量子サイズ効果が観測され、電流電圧特性の２回微分特性において明瞭な振動現象が観測された。また、磁気異方性が変調されていることを示唆する磁場方位依存性が観測された。
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