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2018 年度 実績報告書

超高品質ヘテロエピタキシャル技術による革新的高効率スピン流制御

研究課題

研究課題/領域番号 18H03860
研究機関東京大学

研究代表者

大矢 忍  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (20401143)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2022-03-31
キーワードスピントロニクス / スピントランジスタ / スピン流 / ヘテロ構造
研究実績の概要

現在、スピン流を用いた超低消費電力スピントロニクスデバイスの実現に大きな期待が寄せられている。スピン流デバイス全般において、スピンが結晶の乱れに対して非常に敏感であることは、応用上大きな課題である。スピンの向きを保ったまま高効率に電子を輸送するためには、オールエピタキシャル超高品質単結晶を用いた強磁性体/非磁性体へテロ構造の実現が不可欠である。本研究では、分子線エピタキシー技術を用いて超高品質ヘテロ構造を作製し、微細加工技術およびゲート制御技術を用いて、スピン流をスピン緩和の影響のほとんどない環境下で扱うことにより、今まで散乱に埋もれて見えてこなかった物質自体がもつ内因性の機能を引き出すことにより、高効率なスピントロニクスデバイスの実現を目指す。
2018年度は、高効率なスピン流電流変換が可能な系の実現を目指して、オールエピタキシャルのLSMO/LAO/STOヘテロ構造の成膜と高品質化を目指してきた。実際に、スピンポンピング実験を行い、内因性の逆エデルシュタイン効果に起因していることが支持される系統的な起電力の温度依存性と、正の値としては世界最高値である3.8nmの逆エデルシュタイン長を得ることに成功した。縦型スピントランジスタの研究に関しては、産総研の齋藤秀和博士らや物理工学専攻の岩佐教授らと共同で、GaOチャネルを用いたスピントランジスタ構造を作製し、室温で大きな磁気抵抗比と電流変調を得ることに初めて成功した(APEX誌に出版)。東京大学新領域創成科学研究科の岡本博教授らのグループと共同でピコ秒の超短テラヘルツパルスを利用した新たな超高速磁化反転方式の研究を行った。MnAsナノ微粒子がGaAsに埋め込まれたグラニュラー薄膜を利用して従来の研究の中では最も大きな20%もの磁化の超高速変調に成功した(APL誌に出版。Featured Articleに選定された)。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

オールエピタキシャルのペロブスカイト酸化物LSMO/LAO/STOヘテロ構造において、正の値としては世界最高値である3.8nmの逆エデルシュタイン長(スピン流電流変換効率)を得ることに成功した。研究提案通り、物質そのものが持つ内因性の効果が、スピン流電流変換において極めて重要であることが実際に明らかになりつつある。また、MnAs微粒子を埋め込んだGaAsに対して、超短テラヘルツパルス光を照射することにより、従来の20倍程度の20%もの極めて大きな磁化変調に世界で初めて成功した。本成果は、Appl. Phys. Lett.誌に掲載され、Featured Articleに選定された。UTokyo FOCUSにも日本語と英語で紹介記事を掲載した。将来的にはピコ秒で動作する超高速のメモリの実現につながる成果と言える。縦型スピントランジスタの実現は、本研究課題における一つの重要なテーマであるが、室温で40%の大きな磁気抵抗比と電流変調の実現に世界で初めて成功した。
全体的に、研究計画以上に様々な成果が早期に得られており、国際的にも評価されている。

今後の研究の推進方策

LSMO/LAO/STOヘテロ構造において観測された大きな内因性の逆エデルシュタイン効果については、バンド構造の情報を含めた理論的なアプローチを用いて、その原因について良く考察を行いたい。さらに高効率なスピン流電流変換を得るために何が重要なのか、スピン軌道相互作用を考慮したバンドエンジニアリングの視点から深く考察を行う予定である。縦型スピントランジスタ構造に関しては、研究計画に記述したように、ペロブスカイト酸化物等を用いて、強誘電体と組み合わせた新たなデバイスの方向性を開拓したいと考えている。一方で、最近の我々の研究から、新たな高効率な磁化反転現象が明らかになりつつある。電流を流すだけで磁化反転が可能である物質系が存在することが明らかになってきた。磁化反転に必要な電流密度は金属系で一般にみられる値よりも1,2桁小さいことが明らかになってきた。また、ある種の磁気トンネル接合系では、極めて小さな電圧を印加するだけで、面内で磁化が90度回転することが明らかになってきた。これは従来の5~10倍程度小さな電圧であり、また必要な電流はほぼ無限小であった。このような新奇の磁化反転現象は、物質の単結晶性に起因するものであり、将来の超低消費エレクトロニクスにつながる成果になると考えている。今年度は、これらの現象の理解と論文化、更なる効率化を目指した研究を展開したいと考えている。

  • 研究成果

    (44件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (9件) (うち査読あり 9件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (30件) (うち国際学会 9件、 招待講演 5件) 備考 (4件)

  • [国際共同研究] New York University/University at Buffalo(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      New York University/University at Buffalo
  • [雑誌論文] Ferromagnetic resonance and control of magnetic anisotropy by epitaxial strain in ferromagnetic semiconductor (Ga0.8,Fe0.2)Sb at room temperature2019

    • 著者名/発表者名
      S. Goel, L. D. Anh, S. Ohya, and M. Tanaka
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 99 ページ: 014431/1-7

    • DOI

      DOI:10.1103/PhysRevB.99.014431

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Room-temperature side-gate-induced current modulation in a magnetic tunnel junction with an oxide-semiconductor barrier for vertical spin-MOSFET operation2019

    • 著者名/発表者名
      T. Kanaki, S. Matsumoto, S. K. Narayananellore, H. Saito, Y. Iwasa, M. Tanaka, and S. Ohya
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Express

      巻: 12 ページ: 23009/1-4

    • DOI

      DOI:10.7567/1882-0786/aafed6

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Large terahertz magnetization response observed in ferromagnetic nanoparticles2019

    • 著者名/発表者名
      T. Ishii, H. Yamakawa, T. Kanaki, T. Miyamoto, N. Kida, H. Okamoto, M. Tanaka, and S. Ohya
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Lett.

      巻: 114 ページ: 062402/1-4

    • DOI

      doi: 10.1063/1.5088227, selected as Featured Article

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Evidence for Spin-Triplet Electron Pairing in the Proximity-Induced Superconducting State of an Fe-Doped InAs Semiconductor2019

    • 著者名/発表者名
      T. Nakamura, L. D. Anh, Y. Hashimoto, S. Ohya, M. Tanaka, and S. Katsumoto
    • 雑誌名

      Phys. Rev. Lett.

      巻: 122 ページ: 107001/1-6

    • DOI

      DOI:10.1103/PhysRevLett.122.107001

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Quantum size effect in a Fe quantum well detected by resonant tunneling carriers injected from an p-type Ge semiconductor electrode2018

    • 著者名/発表者名
      R. Suzuki, Y. K. Wakabayashi, K. Okamoto, M. Tanaka, and S. Ohya
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Lett.

      巻: 112 ページ: 152402

    • DOI

      doi:10.1063/1.5020355

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Proximity-Induced Superconductivity in a Ferromagnetic Semiconductor (In,Fe)As2018

    • 著者名/発表者名
      T. Nakamura, L. D. Anh, Y. Hashimoto, Y. Iwasaki, S. Ohya, M. Tanaka, and S. Katsumoto
    • 雑誌名

      Journal of Physics: Conference Series

      巻: 969 ページ: 012036

    • DOI

      doi :10.1088/1742-6596/969/1/012036

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Large current modulation and tunneling magnetoresistance change by a side-gate electric field in a GaMnAs-based vertical spin metal-oxide-semiconductor field-effect transistor2018

    • 著者名/発表者名
      T. Kanaki, H. Yamasaki, T. Koyama, D. Chiba, S. Ohya, M. Tanaka
    • 雑誌名

      Sci. Rep.

      巻: 8 ページ: 7195

    • DOI

      DOI:10.1038/s41598-018-24958-z

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Ultrafast magnetization modulation induced by the electric field component of a terahertz pulse in a ferromagnetic-semiconductor thin film2018

    • 著者名/発表者名
      T. Ishii, H. Yamakawa, T. Kanaki, T. Miyamoto, N. Kida, H. Okamoto, M. Tanaka, and S. Ohya
    • 雑誌名

      Sci. Rep.

      巻: 8 ページ: 6901/1-6

    • DOI

      DOI:10.1038/s41598-018-25266-2

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Improved performance of a GaMnAs-based vertical spin electric double-layer transistor2018

    • 著者名/発表者名
      T. Kanaki, H. Yamasaki, H. Terada, Y. Iwasa, S. Ohya, and M. Tanaka
    • 雑誌名

      Jpn. J. Appl. Phys. (Rapid Commun.)

      巻: 57 ページ: 090301/1-5

    • DOI

      DOI:10.7567/JJAP.57.090301

    • 査読あり
  • [学会発表] Efficient full spin-orbit torque switching in a single layer of a perpendicularly-magnetized ferromagnetic semiconductor GaMnAs2019

    • 著者名/発表者名
      M. Jiang, H. Asahara, S. Sato, T. Kanaki, H. Yamasaki, S. Ohya, and M. Tanaka
    • 学会等名
      2019 Joint MMM-Intermag
    • 国際学会
  • [学会発表] Room-temperature operation of a vertical spin field-effect transistor with an oxide semiconductor GaOx channel layer2019

    • 著者名/発表者名
      S. Ohya, T. Kanaki, S. Matsumoto, S. K. Narayananellore, H. Saito, Y, Iwasa, and M. Tanaka
    • 学会等名
      2019 Joint MMM-Intermag, GD-12
    • 国際学会
  • [学会発表] Observation of spin-dependent resonant tunneling in an Fe quantum well detected by carriers injected from a p-type Ge semiconductor electrode2019

    • 著者名/発表者名
      R. Suzuki, Y. K. Wakabayashi, K. Okamoto, M. Tanaka, and S. Ohya
    • 学会等名
      2019 Joint MMM-Intermag, GC-01
    • 国際学会
  • [学会発表] Ultra-low-power magnetization rotation by orbital selection at a La0.67Sr0.33MnO3/SrTiO3 interface2019

    • 著者名/発表者名
      L. D. Anh, T. Yamashita, H. Yamasaki, D. Araki, M. Tanaka and S. Ohya
    • 学会等名
      American Physical Society March Meeting 2019, P40.00002
    • 国際学会
  • [学会発表] La0.6Sr0.4MnO3/LaAlO3ヘテロ界面における特異な磁気異方性2019

    • 著者名/発表者名
      大矢 忍, Le Duc Anh, 岡本 昂, 関 宗俊, 田畑 仁, 田中 雅明
    • 学会等名
      スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワーク(Spin-RNJ)シンポジウム TKY-03
  • [学会発表] Ultra-low power bias-driven magnetization switching by quasi-Fermi level control at an interface of a La0.67Sr0.33MnO3-based magnetic tunnel junction2019

    • 著者名/発表者名
      L. D. Anh, T. Yamashita, H. Yamasaki, D. Araki, M. Seki, H. Tabata, M. Tanaka and S. Ohya
    • 学会等名
      第10回低温センター研究交流会 P-52
  • [学会発表] Magnetic anisotropy switching in heavily-Fe-doped high-Curie-temperature ferromagnetic semiconductor (Ga0.7,Fe0.3)Sb with a critical thickness2019

    • 著者名/発表者名
      Shobhit Goel, Le Duc Anh, Shinobu Ohya and Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      第10回低温センター研究交流会 P-41
  • [学会発表] Efficient spin-to-charge current conversion in a La0.67Sr0.33MnO3/LaAlO3/SrTiO3 epitaxial single-crystal heterostructure2019

    • 著者名/発表者名
      D. Araki, L. D. Anh, S. Kaneta, M. Tanaka, and S. Ohya
    • 学会等名
      第10回低温センター研究交流会 P-50
  • [学会発表] Evaluation of the spin-orbit torque strength and efficiency in a perpendicularly-magnetized ferromagnetic semiconductor GaMnAs2019

    • 著者名/発表者名
      M. Jiang, H. Asahara, S. Sato, T. Kanaki, H. Yamasaki, S. Ohya, and M. Tanaka
    • 学会等名
      第10回低温センター研究交流会 P-45
  • [学会発表] ナノスケール構造におけるGaMnAsの電界制御異方性磁気抵抗2019

    • 著者名/発表者名
      山崎君
    • 学会等名
      第10回低温センター研究交流会 P-54
  • [学会発表] Ultra-low power bias-driven magnetization switching by quasi-Fermi level control at an interface of a La0.67Sr0.33MnO3-based magnetic tunnel junction2019

    • 著者名/発表者名
      L. D. Anh, T. Yamashita, H. Yamasaki, D. Araki, M. Seki, H. Tabata, M. Tanaka and S. Ohya
    • 学会等名
      第66回応用物理学会春季学術講演会 10a-M101-6
  • [学会発表] Magnetic anisotropy switching in heavily-Fe-doped high-Curie-temperature ferromagnetic semiconductor (Ga0.7,Fe0.3)Sb with a critical thickness2019

    • 著者名/発表者名
      Shobhit Goel, Le Duc Anh, Shinobu Ohya and Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      第66回応用物理学会春季学術講演会 12p-M101-8
  • [学会発表] Efficient spin-to-charge current conversion in a La0.67Sr0.33MnO3/LaAlO3/SrTiO3 epitaxial single-crystal heterostructure2019

    • 著者名/発表者名
      D. Araki, L. D. Anh, S. Kaneta, M. Tanaka, and S. Ohya
    • 学会等名
      第66回応用物理学会春季学術講演会 11a-M101-7
  • [学会発表] Evaluation of the spin-orbit torque strength and efficiency in a perpendicularly-magnetized ferromagnetic semiconductor GaMnAs2019

    • 著者名/発表者名
      M. Jiang, H. Asahara, S. Sato, T. Kanaki, H. Yamasaki, S. Ohya, and M. Tanaka
    • 学会等名
      第66回応用物理学会春季学術講演会 11ap-M101-2
  • [学会発表] Epitaxial strain effect on the ferromagnetic resonance and magnetic anisotropy of (Ga0.8,Fe0.2)Sb thin films at room temperature2018

    • 著者名/発表者名
      S. Goel, L. D. Anh, S. Ohya, and M. Tanaka
    • 学会等名
      The 20th International Conference on Molecular Beam Epitaxy (ICMBE 2018), Th-C1-5
    • 国際学会
  • [学会発表] Epitaxial strain effect on ferromagnetic resonance and magnetic anisotropy of room temperature ferromagnetic semiconductor (Ga0.8,Fe0.2)Sb thin films2018

    • 著者名/発表者名
      Shobhit Goel, Le Duc Anh, Shinobu Ohya, and Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      International Workshop on nanoscale-electron-photon interactions via energy dissipation and fluctuation 2018
    • 国際学会
  • [学会発表] Quantum size effect in a Fe quantum well detected by resonant tunneling carriers injected from a p-type Ge semiconductor electrode2018

    • 著者名/発表者名
      Ryota Suzuki, Yuki K. Wakabayashi, Kohei Okamoto, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
    • 学会等名
      International Workshop on nanoscale-electron-photon interactions via energy dissipation and fluctuation 2018
    • 国際学会
  • [学会発表] Correlation between the bias dependence of tunneling anisotropic magnetoresistance and tunneling magnetoresistance in a La0.67Sr0.33MnO3-based magnetic tunnel junction2018

    • 著者名/発表者名
      L. D. Anh, T. Yamashita, H. Yamasaki, D. Araki, M. Tanaka and S. Ohya
    • 学会等名
      第79回応用物理学会秋季学術講演会 E18a-131-9
  • [学会発表] Efficient full spin-orbit torque switching in a single layer of a perpendicularly-magnetized ferromagnetic semiconductor GaMnAs2018

    • 著者名/発表者名
      Miao Jiang, Hirokatsu Asahara, Shoichi Sato, Toshiki Kanaki, Hiroki Yamasaki, Shinobu Ohya and Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      第79回応用物理学会秋季学術講演会 20a-131-2
  • [学会発表] La0.67Sr0.33MnO3/LaAlO3/SrTiO3 単結晶エピタキシャルヘテロ構造におけるスピン流-電流変換2018

    • 著者名/発表者名
      荒木大晴、Le Duc Anh、金田 真悟、田中 雅明、大矢 忍
    • 学会等名
      強的秩序とその操作に関わる研究グループ 第7回 研究会ー若手夏の学校ー O1
  • [学会発表] Observation of peculiar magnetic anisotropy at the interface of a La0.6Sr0.4MnO3/LaAlO3 heterostructure2018

    • 著者名/発表者名
      Le Duc Anh, Noboru Okamoto, Munetoshi Seki, Hiroshi Tabata, Masaaki Tanaka, Shinobu Ohya
    • 学会等名
      CSRN-Osaka Annual Workshop 2018 (CSRN-Osaka 2018年度成果報告会) P14
  • [学会発表] Thickness dependence of the magnetic anisotropy of high-Curie-temperature ferromagnetic semiconductor (Ga0.7,Fe0.3)Sb thin films2018

    • 著者名/発表者名
      Shobhit Goel, Le Duc Anh, Shinobu Ohya, Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      第23回半導体スピン工学の基礎と応用(PASPS-23) O-4
  • [学会発表] Bias-driven magnetic-anisotropy switching using a La0.67Sr0.33MnO3/SrTiO3 interface2018

    • 著者名/発表者名
      L. D. Anh, T. Yamashita, H. Yamasaki, D. Araki, M. Tanaka and S. Ohya
    • 学会等名
      第23回半導体スピン工学の基礎と応用(PASPS-23) O-9
  • [学会発表] Efficient spin-to-charge current conversion in a La0.67Sr0.33MnO3/LaAlO3/SrTiO3 epitaxial single-crystal heterostructure2018

    • 著者名/発表者名
      荒木大晴、Le Duc Anh、金田 真悟、田中 雅明、大矢 忍
    • 学会等名
      第23回半導体スピン工学の基礎と応用(PASPS-23) O-11
  • [学会発表] Efficient full spin-orbit torque switching in a single layer of perpendicularly-magnetized ferromagnetic semiconductor GaMnAs2018

    • 著者名/発表者名
      Miao Jiang, Hirokatsu Asahara, Shoichi Sato, Toshiki Kanaki, Hiroki Yamasaki, Shinobu Ohya and Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      第23回半導体スピン工学の基礎と応用(PASPS-23) P-11
  • [学会発表] 強磁性ペロブスカイト酸化物ヘテロ界面における特異な磁気異方性2018

    • 著者名/発表者名
      大矢忍,Le Duc Anh,関宗俊,田畑仁,田中雅明
    • 学会等名
      応用物理学会 強的秩序とその操作に関わる研究グループ主催 酸化物エピタキシャル薄膜研究の最前線
    • 招待講演
  • [学会発表] ”磁石の原理”を使って目指す高効率人工知能社会2018

    • 著者名/発表者名
      大矢忍
    • 学会等名
      時習館特別授業
    • 招待講演
  • [学会発表] 高品質エピタキシャル単結晶ヘテロ構造を用いた縦型スピントランジスタ実現への試み2018

    • 著者名/発表者名
      大矢忍、田中雅明
    • 学会等名
      第2回 CSRN-Tokyo Workshop 2018
    • 招待講演
  • [学会発表] Novel spin-related tunneling phenomena in perovskite oxide heterostructures2018

    • 著者名/発表者名
      Shinobu Ohya, Le Duc Anh, Tatsuya Matou, Noboru Okamoto, Kento Takeshima, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata, and Masaaki Tanaka (invited)
    • 学会等名
      Collaborative Conference on Materials Research (CCMR) 2018
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Observation of the inverse spin Hall effect in the topological crystalline insulator SnTe using spin pumping2018

    • 著者名/発表者名
      Shinobu Ohya, Akiyori Yamamoto, Tomonari Yamaguchi, Ryo Ishikawa, Ryota Akiyama, Le Duc Anh, Shobhit Goel, Yuki K. Wakabayashi, Shinji Kuroda, and Masaaki Tanaka (invited)
    • 学会等名
      SPIE Nanoscience + Engineering, 10732-117
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] 東京大学大学院工学系研究科総合研究機構大矢研究室

    • URL

      http://www.cryst.t.u-tokyo.ac.jp/ohya/

  • [備考] 磁性半導体中にスピン三重項の超伝導電流を流すことに成功

    • URL

      http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=7876

  • [備考] ピコ秒で動作する超高速メモリの実現に向けた新たな進展

    • URL

      https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/ja/articles/z0508_00100.html

  • [備考] Nanoparticles help realize ‘spintronic’ devices

    • URL

      https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00031.html

URL: 

公開日: 2019-12-27  

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