酸化物界面を用いた高効率スピン流電流変換の実証とスピントロニクスデバイスの創出

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21J21102
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 高田 真悟 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2021-04-28 – 2024-03-31
• Keywords: スピントロニクス / スピン流-電流変換 / ペロブスカイト型酸化物 / 二次元電子ガス / 分子線エピタキシー

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、ペロブスカイト型酸化物界面の二次元電子ガスを用いたスピン流-電流相互変換の物理現象開拓と超低消費電力動作可能なメモリの実現を目指す。
本年度は、分子線エピタキシー法を用いて、ペロブスカイト型酸化物LaTiO3をSrTiO3基板上に作製した。X線回折法、走査型透過電子顕微鏡、原子間力顕微鏡等を用いて構造評価を行い、極めて高品質な試料ができたことを確認した。そして、LaTiO3/SrTiO3界面に生じる二次元電子ガスの電気伝導評価を行った。続いて、スピン流-電流変換を実証するために、(La,Sr)MnO3/LaTiO3/SrTiO3という構造を作製し、構造、電気伝導、スピン流-電流変換効率の測定を行った。こちらも極めて高品質な結晶を得ることができた。本系は、低温において、全ての材料系で最大のスピン流-電流変換効率を記録した。高いスピン流-電流変換効率の起源を調べるために、放射光施設を用いてLaTiO3/SrTiO3界面のバンド構造評価を行った。実験から得られたバンド構造を再現できるように、理論計算から得られるバンド構造のパラメータの最適化を行った。そして、計算より得られたバンド構造を用いて、理論的に高効率スピン流-電流変換の起源を明らかにした。
また、SrTiO3界面の二次元電子ガスを書き込み層としたメモリ動作に向けて、強磁性ペロブスカイト型酸化物であるSrRuO3に着目し、分子線エピタキシー法を用いてSrTiO3基板上に作製を行った。構造、電気伝導評価から、世界最高品質クラスのSrRuO3薄膜の作製に成功した。磁化や電気伝導の膜厚依存性に関して詳細な調査を行い、メモリ応用に向けた、最適な膜厚、抵抗値、磁化特性などの知見を得ることができた。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

研究実施計画に示した通り、ペロブスカイト型酸化物LaTiO3/SrTiO3界面における二次元電子ガスの成長条件を確立させ、極めて高品質の結晶と界面を確認した。そして、(La,Sr)MnO3/LaTiO3/SrTiO3という構造において、スピン流-電流変換効率の評価を行い、世界最高効率のスピン流-電流変換を実証した。また、界面のバンド構造や理論計算から、スピン流-電流変換効率の物理的起源を明らかにした。これらの成果は、国際学会や国内学会で高く評価されている。
加えて、次年度以降に行う予定だったサブテーマの強磁性ペロブスカイト型酸化物SrRuO3におけるワイルフェルミオンの特性や膜厚依存性を明らかにした。これらの成果は論文として出版されたとともに、国内学会で高く評価された。

Strategy for Future Research Activity

SrTiO3界面の二次元電子ガスを用いた高効率電流-スピン流変換を用いた磁化反転を目指す。初めに、分子線エピタキシー法を用いてペロブスカイト型酸化物LaAlO3/SrTiO3やLaTiO3/SrTiO3の成長に取り組み、結晶の高品質化を行う。これら材料の界面に生じる二次元電子ガスの電気伝導評価を行う。続いて、面直磁化を有するTbFeCoやSrRuO3などの成長条件最適化を行う。そして、上記の材料を組み合わせて、高効率磁化反転を目指す。
また、LaTiO3/SrTiO3界面での高効率スピン流-電流変換の研究より得られた知見をいかして、より高効率のスピン流-電流変換材料の探索やその物理的起源を明らかにする。
サブテーマとして提案された強磁性ペロブスカイト型酸化物SrRuO3について、スキルミオンやワイルフェルミオンの新規現象開拓やエレクトロニクス応用の開拓を目指す。

Research Products

• [Journal Article] Theoretical analysis of the inverse Edelstein effect at the LaAlO3/SrTiO3 interface with an effective tight-binding model: important role of the second dxy subband (2022)
  • Author(s): S. Arai, S. Kaneta-Takada, L. D. Anh, M. Tanaka, and S. Ohya
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 15 Pages: 1～4
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac435c
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Alternation of Magnetic Anisotropy Accompanied by Metal-Insulator Transition in Strained Ultrathin Manganite Heterostructures (2021)
  • Author(s): M. Kobayashi, L. D. Anh, M. Suzuki, S. Kaneta-Takada, Y. Takeda, S. Fujimori, M. Tanaka, S. Ohya, A. Fujimori
  • Journal Title: Physical Review Applied Volume: 15 Pages: 1～10
  • DOI: 10.1103/PhysRevApplied.15.064019
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Wide-Range Epitaxial Strain Control of Electrical and Magnetic Properties in High-Quality SrRuO3 Films (2021)
  • Author(s): Y. K. Wakabayashi, S. Kaneta-Takada, Y. Krockenberger, Y. Taniyasu, and H. Yamamoto
  • Journal Title: ACS Applied Electronic Materials Volume: 3 Pages: 2712～2719
  • DOI: 10.1021/acsaelm.1c00288
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-mobility two-dimensional carriers from surface Fermi arcs in magnetic Weyl semimetal films (2021)
  • Author(s): Shingo Kaneta-Takada, Yuki K. Wakabayashi, Yoshiharu Krockenberger, Toshihiro Nomura, Yoshimitsu Kohama, Sergey A. Nikolaev, Hena Das, Hiroshi Irie, Kosuke Takiguchi, Shinobu Ohya, Masaaki Tanaka, Yoshitaka Taniyasu, Hideki Yamamoto
  • Journal Title: arXiv Volume: 2106.03292 Pages: -
  • Open Access
• [Presentation] Giant spin-to-charge conversion in an all-epitaxial single-crystal-oxide Rashba LaTiO3+δ/SrTiO3 heterostructure (2022)
  • Author(s): Shingo Kaneta-Takada, Miho Kitamura, Shoma Arai, Takuma Arai, Ryo Okano, Le Duc Anh, Tatsuro Endo, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Masaki Kobayashi, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata, Masaaki Tanaka, Shinobu Ohya
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Quantum limit transport and Two-dimensional Weyl fermions in epitaxial ferromagnetic oxide SrRuO3 thin films (2022)
  • Author(s): S. Kaneta-Takada, Y. K. Wakabayashi, Y. Krockenberger, T. Nomura, Y. Kohama, Hiroshi Irie, K. Takiguchi, S. Ohya, M. Tanaka, Y. Taniyasu, and H. Yamamoto
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] オールエピタキシャル単結晶LaTiO3+δ/SrTiO3ラシュバヘテロ構造における巨大スピン流電流変換 (2022)
  • Author(s): 田真悟, 北村未歩, 荒井勝真, 新居 拓眞、 岡野諒, レデゥックアイン,遠藤達朗, 堀場弘司, 組頭広志, 小林正起, 関宗俊, 田畑仁, 田中雅明, 大矢忍
  • Organizer: 第13回低温科学研究センター研究交流会
• [Presentation] Influence of the multi-orbital hybridizations on the spin-to-charge conversion at the LaAlO3/SrTIO3 interface (2022)
  • Author(s): 荒井勝真, 金田真悟, L. D. Anh, 田中雅明, 大矢忍
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 有効強束縛近似法を用いたLaAlO3/SrTiO3界面における逆エデルシュタイン効果の理論解析: dxy量子化サブバンドの重要な役割 (2022)
  • Author(s): 荒井勝真, 金田真悟, L. D. Anh, 田中雅明, 大矢忍
  • Organizer: 強的秩序とその操作に関わる研究グループ第14回
• [Presentation] SrTiO3(001)基板上への室温ウェッティングレイヤー成長法による超平坦SnTe(001)薄膜の成長と電気伝導評価 (2022)
  • Author(s): 秋山了太, 金田真悟, 大矢忍, 高城拓也, 長谷川修司
  • Organizer: 2022年春季日本物理学会年次大会
• [Presentation] Influence of the multi-orbital hybridizations on the spin-to-charge conversion at the LaAlO3 / SrTiO3 interface (2022)
  • Author(s): 荒井勝真, 金田真悟, Le. Duc. Anh, 田中雅明, 大矢忍
  • Organizer: 第13回低温科学研究センター交流会
• [Presentation] Giant spin-charge conversion in an all-epitaxial LaTiO3+δ/SrTiO3 heterostructure (2022)
  • Author(s): S. Kaneta-Takada, M. Kitamura, S. Arai, R. Okano, L. D. Anh, T. Endo, K. Horiba, H. Kumigashira, M. Kobayashi, M. Seki, H. Tabata, M. Tanaka and S. Ohya
  • Organizer: 2022 Joint MMM-INTERMAG
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantum limit transport and Two-dimensional Weyl fermions in epitaxial ferromagnetic oxide SrRuO3 thin films (2021)
  • Author(s): S. Kaneta-Takada, Y. K. Wakabayashi, Y. Krockenberger, T. Nomura, Y. Kohama, Hiroshi Irie, K. Takiguchi, S. Ohya, M. Tanaka, Y. Taniyasu, and H. Yamamoto
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Theoretical analysis of the inverse Edelstei neffect at the LaAlO3/SrTiO3 interface with an effective tight-binding model: Important role of the seccond dxy subband (2021)
  • Author(s): S. Arai, S. Kaneta-Takada, L. D. Anh, M. Tanaka, and S. Ohya
  • Organizer: 第26回半導体スピン工学の基礎と応用
• [Presentation] Realization of vertical p-i-n junctions composed of a two dimensional hole gas region at an FeOx/SrTiO3 interface, SrTiO3, and Nb:SrTiO3 (2021)
  • Author(s): C. Xia, L. D. Anh, S. Kaneta-Takada, M. Tanaka, and S. Ohya
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 高品質SrRuO3薄膜における大きなエピタキシャル歪みによる電気、磁気特性の制御 (2021)
  • Author(s): 若林勇希, 金田真悟, ヨシハルクロッケンバーガー, 谷保芳孝, 山本秀樹
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] エピタキシャルSrRuxO3(x = 0.7 and 1)薄膜でのオフストイキオメトリーの結晶構造、電気伝導特性への影響 (2021)
  • Author(s): 若林勇希, 金田真悟, ヨシハルクロッケンバーガー, 大矢忍, 田中雅明, 谷保芳孝, 山本秀樹
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Quantum Limit Transport and Two-dimensional Weyl Fermions in Epitaxial Ferromagnetic Oxide SrRuO3 Thin Films (2021)
  • Author(s): S. Kaneta-Takada, Y. K. Wakabayashi, Y. Krockenberger, S. Ohya, M. Tanaka, Y. Taniyasu, and H. Yamamoto
  • Organizer: International Symposium on Novel maTerials and quantum Technologies (ISNTT2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Field effect transistor based on two-dimensional carrier gas at the FeOy/SrTiO3 interface (2021)
  • Author(s): L. D. Anh, T. J. Wijaya, S. Kaneta-Takada, M. Seki, H. Tabata, M. Tanaka, and S. Ohya
  • Organizer: 20th International Conference on Modulated Semiconductor Structures (MSS-20)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ambipolar control of high-mobility carriers at a wide-gap oxide interface and applications towards oxide-based electronics (2021)
  • Author(s): L. D. Anh, S. Kaneta-Takada, T. J. Wijaya, H. Shinya, T. Fukushima, A. Masago, H. Katayama-Yoshida, M. Tokunaga, M. Kobayashi, M. Seki, H. Tabata, M. Tanaka, and S. Ohya
  • Organizer: International Workshop on Oxide Electronics 27th (iWOE27)
  • Int'l Joint Research / Invited