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

2021 年度 実績報告書

• 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: 酸化物 / エピタキシャル / 半導体 / 強磁性 / スピン流

研究実績の概要

我々は2019年度に、オールエピタキシャルのペロブスカイト酸化物LaSrMnO3/LaAlO3/ SrTiO3ヘテロ構造を作製し、スピンポンピング実験により6.7nmの大きなスピン流電流変換効率を得ることに成功していた。しかし、絶縁体であるLaAlO3でスピン流が減衰し変換効率が低減している可能性を懸念していた。今回は、LaAlO3をLaTiO3に置き換えて研究を行った。LaTiO3は元来は反強磁性モット絶縁体であるが、通常は、歪みなどにより常磁性金属になっている。本研究以前は、このような強相関物質のスピン流に対する寄与は不明であった。実験の結果、全材料系を通して世界最大値である193.5nmの巨大な変換効率が低温で得られた（査読中）。
本現象の理論的な解析も進めている。本系では、Tiの3d軌道のうちスピンを含め6つの軌道が伝導を担っている。強い閉じ込め効果のため、極めて複雑な量子化が起こっている。有効強束縛近似法を用いた計算を行い、各軌道のスピン流電流変換に対する寄与を見積もった結果、特にdxy軌道の第２量子準位が極めて大きな寄与をもつことが明らかになった[Appl. Phys. Express (2022)]。これは、電子軌道の量子化の制御によりスピン流電流変換を制御可能とする新たな知見と言える。
オールエピタキシャル強磁性半導体GaMnAsを用いてスピン流－電流変換の研究を進めており、昨年度、スピントルク磁化反転現象においては世界最小の電流密度である4.6x10^4 A/cm^2での磁化反転に成功していた。今年度はさらにゲート変調実験を行い、スイッチング電流密度のゲート変調に成功した。薄膜表面のRashba型のスピン軌道相互作用が変調されていることに起因していると考えられる。スピントルク磁化反転を人工的に制御できる新たな可能性を示す結果と言える（査読中）。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: S. Arai, S. Kaneta-Takada, L. D. Anh, M. Tanaka, and S. Ohya
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 15 ページ: 013005
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac435c
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bias-dependent two-phase anisotropy in magnetoresistance of a GaMnAs-based magnetic tunnel junction (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Terada, S. Ohya, and M. Tanaka
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 15 ページ: 033001
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac5221
  • 査読あり
• [雑誌論文] Alternation of Magnetic Anisotropy Accompanied by Metal-Insulator Transition in Strained Ultrathin Manganite Heterostructures (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Kobayashi, L. D. Anh, M. Suzuki, Y. Takeda, S.-i. Fujimori, M. Tanaka, S. Ohya, and A. Fujimori
  • 雑誌名: Phys. Rev. Applied 巻: 15 ページ: 064019
  • DOI: 10.1103/PhysRevApplied.15.064019
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin-orbit torque magnetization switching in perpendicularly magnetized full Heusler alloy Co2FeSi (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Jiang, E. Matsushita, Y. Takamura, L. D. Anh, S. Nakagawa, S. Ohya, and M. Tanaka
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 11 ページ: 115014
  • DOI: 10.1063/5.0062666
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Unconventional bias dependence of tunnel magnetoresistance induced by the Coulomb blockade effect (2021)
  • 著者名/発表者名: R. Suzuki, Y. Tadano, M. Tanaka, and S. Ohya
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 11 ページ: 125029
  • DOI: 10.1063/5.0077052
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 酸化物Rashba２次元電子系における多軌道サブバンド構造を利用したスピン流電流変換 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大矢忍
  • 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 Spin-RNJ 2021年度報告会
  • 招待講演
• [学会発表] Quantum limit transport and Two-dimensional Weyl fermions in epitaxial ferromagnetic oxide SrRuO3 thin films (2022)
  • 著者名/発表者名: Shingo Kaneta-Takada, Yuki. K. Wakabayashi, Yoshiharu Krockenberger, Toshihiro Nomura, Yoshimitsu Kohama, Hiroshi Irie, Kosuke Takiguchi, Shinobu Ohya, Masaaki Tanaka, Yoshitaka Taniyasu, and Hideki Yamamoto
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Spin-orbit torque magnetization switching in a perpendicularly magnetized full Heusler alloy Co2FeSi (2022)
  • 著者名/発表者名: Miao Jiang, Eisuke Matsushita, Yota Takamura, Le Duc Anh, Shigeki Nakagawa2 Shinobu Ohya, and Masaaki Tanaka
  • 学会等名: 2022 Joint MMM-Intermag conference
  • 国際学会
• [学会発表] Giant spin-charge conversion in an all-epitaxial LaTiO3+δ/SrTiO3 heterostructure (2022)
  • 著者名/発表者名: Shingo Kaneta-Takada, Miho Kitamura, Shoma Arai, Ryo Okano, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Masaki Kobayashi, Le Duc Anh, Tatsuro Endo, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
  • 学会等名: 2022 Joint MMM-Intermag conference
  • 国際学会
• [学会発表] 100 nm以下の短チャネルを有するGeベース単結晶横型スピンバルブ素子における磁気抵抗効果の増大 (2022)
  • 著者名/発表者名: 鶴岡駿、但野由梨子、Le Duc Anh、田中雅明、大矢忍
  • 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会 第14回研究会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 荒井勝真、金田真悟、Le Duc Anh、田中雅明、大矢忍
  • 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会 第14回研究会
• [学会発表] SrTiO_3_(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)
  • 著者名/発表者名: 秋山了太, 金田真悟, 大矢忍, 高城拓也, 長谷川修司
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 金田真悟, 北村未歩, 荒井勝真, 新居拓眞, 岡野諒, Le Duc Anh, 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
  • 学会等名: 第13回低温科学研究センター研究交流会
• [学会発表] Field-free spin-orbit torque magnetization switching in a perpendicularly magnetized (Ga,Mn)As single layer (2022)
  • 著者名/発表者名: Miao Jiang, Chenda Wang, Shinobu Ohya and Masaaki Tanaka
  • 学会等名: 第13回低温科学研究センター研究交流会
• [学会発表] Geベースオールエピタキシャル単結晶横型短チャネルスピンバルブ素子における 大きな磁気抵抗効果の観測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 鶴岡駿、但野由梨子、Le Duc Anh、田中雅明、大矢忍
  • 学会等名: 第13回低温科学研究センター研究交流会
• [学会発表] Influence of the multi-orbital hybridizations on the spin-to-charge conversion at the LaAlO3 / SrTiO3 interface (2022)
  • 著者名/発表者名: 荒井勝真、金田真吾、Le Duc Anh、田中雅明、大矢忍
  • 学会等名: 第13回低温科学研究センター研究交流会
• [学会発表] Giant spin-to-charge conversion in an all-epitaxial single-crystal-oxide Rashba LaTiO3+δ/SrTiO3 heterostructure (2022)
  • 著者名/発表者名: 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, and Shinobu Ohya
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Field-free spin-orbit torque magnetization switching in a perpendicularly magnetized (Ga,Mn)As single layer (2022)
  • 著者名/発表者名: Miao Jiang, Chenda Wang, Shinobu Ohya, and Masaaki Tanaka
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Geベースオールエピタキシャル単結晶横型短チャネルスピンバルブ素子における大きな磁気抵抗効果の観測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 鶴岡駿、但野由梨子、Le Duc Anh、田中雅明、大矢忍
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Influence of the multi-orbital hybridizations on the spin-to-charge conversion at the LaAlO3 / SrTiO3 interface (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Arai, S. Kaneta, L. D. Anh, M. Tanaka, and S. Ohya
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Observation of high-mobility two-dimensional hole gas at the FeOy/SrTiO3 interface and its applications (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Ohya, L. D. Anh, T. J. Wijaya, S. Kaneta-Takada, M. Tokunaga, M. Seki, H. Tabata, and M. Tanaka (invited)
  • 学会等名: QUantum Oxide Research Online Meeting (QUOROM-4)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Efficient spin-orbit-torque magnetization switching in a spin-orbit ferromagnetic-semiconductor (Ga,Mn)As single layer (2021)
  • 著者名/発表者名: Shinobu Ohya, Miao Jiang, Hirokatsu Asahara, Shoichi Sato, and Masaaki Tanaka (invited)
  • 学会等名: SPIE Nanoscience + Engineering Spintronics XIV
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High-mobility two-dimensional hole gas at an oxide interface: A new frontier of oxide electronics (2021)
  • 著者名/発表者名: Shinobu Ohya(Plenary)
  • 学会等名: The 7th Quantum Science (QS) symposium, ICCMSE 2021 -Computational Chemistry and Computational Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ambipolar control of high-mobility carriers at a wide-gap oxide interface and applications towards oxide-based electronics (2021)
  • 著者名/発表者名: Le Duc Anh, Shingo Kaneta-Takada, Theodorus Jonathan Wijaya, Hikari Shinya, Tetsuya Fukushima, Akira Masago, Hiroshi Katayama-Yoshida, Masashi Tokunaga, Masaki Kobayashi, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
  • 学会等名: 27th International Workshop on Oxide Electronics (iWOE27)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Highly efficient spin-orbit torque magnetization switching and the electric field control in a perpendicularly magnetized ferromagnetic semiconductor GaMnAs single layer (2021)
  • 著者名/発表者名: Miao Jiang, Hirokatsu Asahara, Shoichi Sato, Toshike Kanaki, Hiroki Yamasaki, Shinobu Ohya, and Masaaki Tanaka
  • 学会等名: EP2DS-24/MSS-20
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] オールエピタキシャル単結晶ヘテロ接合を用いた新スピン機能創成 (2021)
  • 著者名/発表者名: 大矢忍、Le Duc Anh、金田真悟、荒井勝真、徳永将史, 関宗俊、田畑仁、田中雅明
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 招待講演
• [学会発表] 酸化物界面における高移動度二次元p型伝導とトランジスタ応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 大矢忍
  • 学会等名: 日本学術振興会・産学協力委員会 R025先進薄膜界面機能創成委員会 リトリート学習会
  • 招待講演
• [学会発表] Highly efficient spin-orbit torque magnetization switching in a ferromagnet semiconductor single layer (Ga,Mn)As (2021)
  • 著者名/発表者名: Miao Jiang, Hirokatsu Asahara, Shoichi Sato, Toshike Kanaki, Hiroki Yamasaki, Shinobu Ohya, and Masaaki Tanaka
  • 学会等名: 第26回半導体におけるスピン工学の基礎と応用(PASPS-26)
  • 招待講演
• [学会発表] Field-effect transistor based on two-dimensional carrier gas at the FeOy/SrTiO3 interface (2021)
  • 著者名/発表者名: Le Duc Anh, Theodorus J. Wijaya, Shingo Kaneta-Takada, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
  • 学会等名: EP2DS-24/MSS-20
  • 国際学会
• [学会発表] Quantum limit transport and two-dimensional Weyl fermions in epitaxial ferromagnetic oxide SrRuO3 thin films (2021)
  • 著者名/発表者名: Shingo Kaneta-Takada, Yuki K. Wakabayashi, Yoshiharu Krockenberger, Toshihiro Nomura, Yoshimitsu Kohama, Hiroshi Irie, Kosuke Takiguchi, Shinobu Ohya, Masaaki Tanaka, Yoshitaka Taniyasu, and Hideki Yamamoto
  • 学会等名: International Symposium on Novel maTerials and quantum Technologies (ISNTT) 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Spin-orbit torque magnetization switching in a perpendicularly magnetized full Heusler alloy Co2FeSi (2021)
  • 著者名/発表者名: Miao Jiang, Eisuke Matsushita, Yota Takamura, Shigeki Nakagawa, Shinobu Ohya, and Masaaki Tanaka
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Quantum limit transport and Two-dimensional Weyl fermions in epitaxial ferromagnetic oxide SrRuO3 thin films (2021)
  • 著者名/発表者名: Shingo Kaneta-Takada, Yuki. K. Wakabayashi, Yoshiharu Krockenberger, Toshihiro Nomura, Yoshimitsu Kohama, Hiroshi Irie, Kosuke Takiguchi, Shinobu Ohya, Masaaki Tanaka, Yoshitaka Taniyasu, and Hideki Yamamoto
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Off-stoichiometry effects on the structural and transport properties of epitaxial SrRuxO3 (x = 0.7 and 1) thin films (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuki K. Wakabayashi, Shingo Kaneta-Takada, Yoshiharu Krockenberger, Shinobu Ohya, Masaaki Tanaka, Yoshitaka Taniyasu, and Hideki Yamamoto
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Quantitative characterization of current-induced spin-orbit torques in a perpendicularly magnetized GaMnAs single film (2021)
  • 著者名/発表者名: Chenda Wang, Miao Jiang, Shinobu Ohya, and Masaaki Tanaka
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] FeOx/SrTiO3界面における二次元正孔ガス領域とSrTiO3およびNb:SrTiO3からなる縦型p-i-n接合の実現 (2021)
  • 著者名/発表者名: Chenhao Xia, Le Duc Anh, Shingo Kaneta-Takada, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Geベース単結晶横型スピンバルブ素子におけるチャネル微細化による磁気抵抗比の増大 (2021)
  • 著者名/発表者名: 鶴岡駿、但野由梨子、Le Duc Anh、田中雅明、大矢忍
  • 学会等名: 第26回半導体におけるスピン工学の基礎と応用(PASPS-26)
• [学会発表] 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 (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Arai, S. Kaneta, L. D. Anh, M. Tanaka, and S. Ohya
  • 学会等名: 第26回半導体におけるスピン工学の基礎と応用(PASPS-26)
• [備考] 東京大学 大学院工学系研究科 電気系工学専攻 大矢研究室
  • URL: http://www.cryst.t.u-tokyo.ac.jp/ohya/