核電気共鳴を用いた全電気的核スピン制御法の確立

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15K13960
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 植村 哲也 北海道大学, 情報科学研究科, 教授 (20344476)
• 研究分担者: 近藤 憲治 北海道大学, 電子科学研究所, 准教授 (50360946)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: 核電気共鳴 / 半導体スピン注入 / ハーフメタル

研究実績の概要

本研究の目的は、強磁性電極を用いた半導体スピン注入・検出技術と核電気共鳴(NER)効果を併用し、光や振動磁場を用いずに、電気的制御のみで半導体中の核スピンをナノメートルスケールの空間分解能で選択的に制御できる素子を創出することである。そのため、ソースおよびドレイン電極を強磁性電極とした電界効果型スピントランジスタ構造を用いて、(1) 強磁性体から半導体への高効率スピン注入、および、高効率核スピン偏極の実現、(2) 半導体中のNER効果の実証とその特性解明、(3) NERを用いた核スピン操作とその電気的検出の実証をめざす。
研究最終年度である平成２８年度は、主に、上記(2)と(3)に取り組んだ。まず、核スピンの選択性を向上するため、トップゲート構造を有する電界効果型スピントランジスタを作製し、ソースの強磁性体からGaAsチャネルに注入されたスピン信号のゲート制御を実証した。次に、同素子にて、注入した電子スピンとその近傍の核スピンに働く相互作用を利用し、核スピンを効率的に初期化できることを実証した。最後に、ゲート電極に高周波電場を印加することで、GaとAsの核スピンから生ずる核磁場が共鳴磁場のところで消失することを確認し、NERによる核スピン操作を実証した。核スピンの初期化およびNERによる核スピン状態の検出には、核スピンの偏極に伴って発生する核磁場を電子スピンの歳差運動から検出する傾斜ハンル効果測定法を用いた。以上より、半導体スピン注入とNERを併用した全電気的核スピン制御法を確立し、本研究課題の目的を達成した。

研究成果

• [雑誌論文] Temperature dependence of spin-dependent tunneling conductance of magnetic tunnel junctions with half-metallic Co2MnSi electrodes (2016)
  • 著者名/発表者名: B. Hu, K. Moges, Y. Honda, H.-x. Liu, T. Uemura, M. Yamamoto, J. Inoue, and M. Shirai,
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 94 ページ: 094428 (15ページ)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.94.094428
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Spin diffusion and non-local spin-valve effect in an exfoliated multilayer graphene with a Co electrode (2016)
  • 著者名/発表者名: L. Li, I. Lee, D. Lim, S. Rathi, M. Kang, T. Uemura, and G.-H. Kim
  • 雑誌名: Nanotechnology 巻: ２７ ページ: 335201 (6ページ)
  • DOI: 10.1088/0957-4484/27/33/335201
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Impact of CoFe buffer layers on the structural and electronic properties of the Co2MnSi/MgO interface (2016)
  • 著者名/発表者名: R. Fetzer, H.-x. Liu, B. Stadtmüller, T. Uemura, M. Yamamoto, M. Aeschlimann and M. Cinchetti
  • 雑誌名: J. Phys. D: Appl. Phys. 巻: 49 ページ: 195002 (5ページ)
  • DOI: 10.1088/0022-3727/49/19/195002
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Enhanced half-metallicity of off-stoichiometric quaternary Heusler alloy Co2(Mn,Fe)Si investigated through saturation magnetization and tunneling magnetoresistance (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Moges, Y. Honda, H.-x. Liu, T. Uemura, M. Yamamoto, Y. Miura, and M. Shirai,
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 93 ページ: 134403 (15ページ)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.93.134403
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A Derivation of Aharonov-Casher Phase and Another Adiabatic Approximation for Pure Gauge under General Rashba Effects (2016)
  • 著者名/発表者名: K. kondo
  • 雑誌名: SPIN, Journal of World Scientific 巻: 6 ページ: 1640006 (11ページ)
  • DOI: 10.1142/S2010324716400063
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Electrical Detection of Nuclear Spin-Echo Signals in an Electron Spin Injection System (2017)
  • 著者名/発表者名: Z. Lin, M. Rasly, and T. Uemura
  • 学会等名: 9th International School and Conference on Spintronics and Quantum Information Technology (SpinTECH IX)
  • 発表場所: Fukuoka International Congress Center （福岡県・福岡市）
  • 年月日: 2017-06-04 – 2017-06-08
  • 国際学会
• [学会発表] Influence of Mn composition in Co2MnSi films on magnetoresistance characteristics (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Inoue, B. Hu, K. Moges, K. Inubushi, K. Nakada, M. Yamamoto, and T. Uemura
  • 学会等名: 9th International School and Conference on Spintronics and Quantum Information Technology (SpinTECH IX)
  • 発表場所: Fukuoka International Congress Center （福岡県・福岡市）
  • 年月日: 2017-06-04 – 2017-06-08
  • 国際学会
• [学会発表] Electrical control of the nuclear spin polarization: experimental and quantitative modeling (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Rasly, Z. Lin, and T. Uemura
  • 学会等名: IEEE International Magnetics Conference (INTERMAG Europe 2017)
  • 発表場所: Dublin (Ireland)
  • 年月日: 2017-04-24 – 2017-04-28
  • 国際学会
• [学会発表] Electrical detection of nuclear spin-echo signals in an electron spin injection system (2017)
  • 著者名/発表者名: Z. Lin, M. Rasly, T. Uemura
  • 学会等名: 2017年 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県・横浜市）
  • 年月日: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [学会発表] Investigating initialization-time dependence of nuclear spin polarization (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Rasly, Z. Lin, T. Uemura
  • 学会等名: 2017年 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県・横浜市）
  • 年月日: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [学会発表] ハーフメタルスピン源を用いた半導体への高効率スピン注入とその応用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 植村 哲也
  • 学会等名: 2017年 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県・横浜市）
  • 年月日: 2017-03-14 – 2017-03-17
  • 招待講演
• [学会発表] Mn-composition dependence of magnetoresistance ratio of Co2MnSi-based giant magneto-resistance devices (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Inoue, B. Hu, K. Moges, K. Inubushi, K. Nakada, M. Yamamoto, T. Uemura
  • 学会等名: 2017年 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県・横浜市）
  • 年月日: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [学会発表] トップゲート構造を有するスピン注入デバイスの製作 (2017)
  • 著者名/発表者名: 野村 航, 宮川 拓望, 植村 哲也
  • 学会等名: 2017年 第52回応用物理学会北海道支部/第１３回日本光学会北海道支部合同学術講演会
  • 発表場所: 北見工業大学（北海道・北見市）
  • 年月日: 2017-01-07 – 2017-01-08
• [学会発表] トップゲート構造によるInGaAsチャネル中のスピンバルブ信号のゲート制御 (2016)
  • 著者名/発表者名: 野村 航, 宮川 拓望, 植村 哲也
  • 学会等名: 第21回半導体スピン工学の基礎と応用(PASPS-21)
  • 発表場所: 北海道大学（北海道・札幌市）
  • 年月日: 2016-12-12 – 2016-12-13
• [学会発表] Clarification for the transient response of nuclear spins using the time-dependent spin temperature (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Rasly, Z. Lin, T. Uemura
  • 学会等名: 第21回半導体スピン工学の基礎と応用(PASPS-21)
  • 発表場所: 北海道大学（北海道・札幌市）
  • 年月日: 2016-12-12 – 2016-12-13
• [学会発表] Temperature dependence of spin-dependent tunneling conductance of magnetic tunnel junctions with half-metallic Heusler alloy electrodes (2016)
  • 著者名/発表者名: B. Hu, K. Moges, Y. Honda, H. Liu, T. Uemura, M. Yamamoto, J. Inoue, and M. Shirai
  • 学会等名: 第21回半導体スピン工学の基礎と応用(PASPS-21)
  • 発表場所: 北海道大学（北海道・札幌市）
  • 年月日: 2016-12-12 – 2016-12-13
• [学会発表] Fabrication of a Spin Injection Device Having a Top-gate Structure (2016)
  • 著者名/発表者名: W. Nomura, T. Miyakawa, M. Yamamoto, and T. Uemura
  • 学会等名: 2016 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2016)
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県・つくば市）
  • 年月日: 2016-09-27 – 2016-09-29
  • 国際学会
• [学会発表] トップゲート構造を有するスピン注入デバイスの製作 (2016)
  • 著者名/発表者名: 野村 航, 宮川 拓望, 山本 眞史, 植村 哲也
  • 学会等名: 2016年 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ（新潟県・新潟市）
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [学会発表] Coherent manipulation of nuclear spins using spin injection from a half-metallic spin states (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Uemura
  • 学会等名: SPIE Optics + Photonics 2016, Spintronics IX
  • 発表場所: San Diego (United States)
  • 年月日: 2016-08-28 – 2016-09-01
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Highly efficient spin injection from a half-metallic spin source of Co2MnSi and sensitive detection of nuclear spin states (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Uemura
  • 学会等名: The 18th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE18)
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（愛知県・名古屋市）
  • 年月日: 2016-08-07 – 2016-08-12
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Efficient gate control of spin-valve signals and Hanle signals in GaAs channel with p-i-n junction-type back-gate structure (2016)
  • 著者名/発表者名: W. Nomura, T. Miyakawa, M. Yamamoto and T. Uemura
  • 学会等名: 第35回電子材料シンポジウム
  • 発表場所: ラフォーレ琵琶湖（滋賀県・守山市）
  • 年月日: 2016-07-06 – 2016-07-08