2021 Fiscal Year Research-status Report
ハーフメタルホイスラー合金を用いた超伝導スピントロニクス素子の創製
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20K05305
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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, 准教授 (30370050)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
窪田 崇秀 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (00580341)
廣井 政彦 鹿児島大学, 理工学域理学系, 教授 (80212174)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | スピントロニクス / 超伝導 / ホイスラー合金 / ハーフメタル / アンドレーエフ反射 / スピン三重項クーパー対 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年，強磁性体の伝導電子スピンや局在スピンを積極的にデバイスへ利用することを目的としたスピントロニクスの研究が盛んに行われている。この分野において，その発展や応用の拡大のために欠かせない物質が「ハーフメタル」である。このハーフメタルを電極材料に用いることによって，トンネル磁気抵抗(TMR)素子や巨大磁気抵抗(GMR)素子の特性向上が図られている。
超伝導デジタル回路の半導体回路に対する優位性は，ジョセフソン素子の高速性・低消費電力性と共に，無損失性という超伝導体本来の基本的な特性に基づくものである。この数年間で超伝導デジタル回路の消費電力は1/10に低減され，2019年にはジョセフソン素子を用いた量子コンピュータの量子超越性が告され，量子コンピュータの研究も新しい段階に入った。一方，低消費電力・低温動作可能な超伝導メモリは近年，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一気に活性化している。
そこで本研究の目的は，ハーフメタルと超伝導体を融合した新機能デバイスの開発を念頭に，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積層膜とサブミクロンサイズの微細加工技術を駆使し，既存のGMR素子の特性を凌ぐ超伝導スピントロニクス素子を創製に関する研究に取り組むことである。本年度は，前年度に引き続き，① 超伝導体NbNとハーフメタルホイスラー合金Co2(Fe,Mn)Siのエピタキシャル積層膜の作製を行い，② 強磁場中輸送特性の測定に取り組むことによって，NbNとCo2(Fe,Mn)Siの積層膜を特徴づける物理パラメータを決定するとともに，NbNとCo2(Fe,Mn)Siの積層膜の磁場中輸送特性の特徴を明らかにした。次いで，③ NbNとCo2(Fe,Mn)Siを用いた面直通電型の超伝導巨大磁気抵抗(CPP-SGMR)素子を作製して，CPP-SGMR素子の特性の評価を行った。
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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
強磁性体への超伝導近接効果では，本来のスピン一重項クーパー対に加えて，スピン三重項クーパー対が誘起される。特に，スピンが100%偏極したハーフメタルでは，この現象が顕著になることが期待される。そこで，超伝導体NbNとハーフメタルホイスラー合金Co2(Fe,Mn)Siのエピタキシャル積層膜について，最大磁場17Tでの磁場中電気抵抗の測定を行い，超伝導ゆらぎ理論に基づいた解析に取り組んだ。超伝導スピントロニクス素子の構造を最適化するために，超伝導転移温度や超伝導コヒーレンス長などの物理パラメータを導出した。得られた実験データの解析から，ハーフメタルCo2(Fe,Mn)Si層の膜厚の増加とともに，① 超伝導転移温度や上部臨界磁場，対破壊パラメータは減少したものの，② 超伝導コヒーレンス長や拡散係数は増加することが明らかになった。
NbN/Co2(Fe,Mn)Si構造の積層膜の輸送特性に関する物理パラメータを見積もることに成功したので，それらの値に基づいてCPP-SGMR素子の層構造やピラーサイズを設計した。NbN層が超伝導状態になる極低温では，① CPP-SGMR素子の電極抵抗が減少し，② 超伝導NbN層を介して準粒子やクーパー対のトンネル現象が生じるため，NbN層が常伝導状態である室温よりもGMR素子としての特性の向上が期待される。そこで，超高真空マルチスパッタを用いて，MgO-sub//Cr(20nm)/ NbN(50nm)/CFMS(20nm)/NbN(5~9nm)/CFMS(4nm)/NbN(5nm)を成膜した。次いで，微細加工技術を活用して，ピラー形状がサブミクロンサイズのMgO-sub//Cr(20nm)/ NbN(50nm)/CFMS(20nm)/NbN(5~9nm)/CFMS(4nm)/NbN(200nm)/Au(10nm)構造のCPP-SGMR素子に加工した。作製したCPP-SGMR素子の特性を評価したところ，現状では，磁気抵抗(MR)比の値は約1%の小さい値であった。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度の研究の進捗状況を踏まえて，CPP-SGMR素子の作製条件の最適化と素子特性の向上に取り組む。現状で大きなMR比が得られていない原因として，超伝導体NbN層の表面の平坦性が十分ではない可能性が挙げられるため，成膜条件の最適化によって，表面がより平坦なNbN層が得られるように努める。そして，NbN層が常伝導状態である室温において，作製したCPP-SGMR素子の中から特性の良い素子を選別する。次いで，NbN層が超伝導状態になる極低温においてCPP-SGMR素子としての特性評価を行う。CPP-SGMR素子の各層の膜厚や材料の種類を最適化した上で，電極層が超伝導状態になることで，GMR素子としての特性の向上が期待されるため，それを実験的に実証する。
現状の素子構造においてMR比の増大を確認した後，超伝導体層とハーフメタル層の間に反強磁性体層を挿入し，スピン三重項クーパー対の誘起を試みる。スピン三重項クーパー対の生成によって，超伝導体層からハーフメタル層へスピン偏極した電子を高効率で注入することが可能になるために素子特性の向上が期待できる。現状では，大きなMR比は得られていないものの，超伝導体層とハーフメタル層，反強磁性体層を組み合わせたCPP-SGMR素子を作製・評価し，従来のCPP-GMR素子を凌ぐ性能の向上を試みる。さらに，CFMS(20nm)層とCFMS(4nm)層の間に挿入した超伝導体NbN層の膜厚に依存して，超伝導に起因した準粒子やクーパー対のトンネル効果，アンドレーエフ反射が生じるために，従来のGMR素子とは異なった超伝導素子に特有な現象の観測も期待される。そこで，トンネル分光法を用いた測定にも取り組み，これらの物理現象に基づいた理論モデルによる解析も進める。
超伝導デジタル回路の分野では，現在，高集積化が可能な新規格の超伝導メモリ開発が盛んに行われている。そこで，低温動作可能な超伝導メモリへ応用することを念頭において，高性能なCPP-SGMRの開発を目指す。
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| Causes of Carryover |
昨年度と同様に，今年度もコロナ禍のために出張が制限されたことにより，申請者自身が東北大学金属材料研究所で実験に取り組むための出張を当初の計画通りに実施することができなかった。また，今年度は学会や国際会議も全てオンライン開催になったため，学会や国際会議へ参加して発表するために準備していた旅費も未使用のまま残ってしまった。
したがって，次年度に繰り越す助成金は，今年度に予定通り実施できなかった実験費用と，学会や国際会議へ参加して発表するための旅費に充当する予定である。
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