| 研究課題/領域番号 |
26220604
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| 研究機関 | 慶應義塾大学 |
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研究代表者 |
安藤 和也 慶應義塾大学, 理工学部, 准教授 (30579610)
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| 研究分担者 |
牧 英之 慶應義塾大学, 理工学部, 准教授 (10339715)
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| 研究期間 (年度) |
2014-05-30 – 2019-03-31
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| キーワード | スピントロニクス |
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| 研究実績の概要 |
本研究の狙いは、スピン流と電流の相互変換現象であるスピンホール効果を基軸とした電子技術の物理基盤を築くことにある。このために必要となるのは、金属・絶縁体を含むへテロ構造におけるスピン流ー電流変換の体系的理解と制御・増大機構の確立である。本研究ではスピン流・磁化の動的交換相互作用とスピン軌道相互作用によるスピンー電荷変換を組み合わせることで、空間対称性の低い金属へテロ接合におけるバルク・界面・表面スピン伝導物性の開拓と、絶縁体/金属界面において発現するマグノンから伝導電子へのスピンキャリア変換を用いた非線形スピントロニクス効果の学理構築を行う。スピン流伝導・変換はあらゆるスピンベースの電子物理技術の基盤であり、本研究推進により体系的物理を構築することで、次世代省エネルギー電子技術に貢献できる。H27年度は、金属/絶縁体接合に現れる非線形スピントロニクス効果及び非磁性金属へテロ接合におけるスピン分裂効果によるスピンー電荷変換に関する実験を重点的に進めた。この結果、非線形スピン流増大現象に関する重要な知見が得られ、磁性絶縁体からのスピン流生成における統一的理解へ大きく前進した。さらに交換モードマグノンと伝導電子スピン流の間の系統的スピン変換効率も明らかとなり、今後の課題がより明確になった。また、金属へテロ接合においてバルクスピンホール効果に依らないスピン流ー電流変換が実現され、バルク・界面スピン軌道相互作用を相補的に利用したスピントルク生成素子への道が拓けた。このように計画は順調に遂行され、さらに上記成果のみならず萌芽的研究成果も得られはじめるなど当初の予想を上回る成果が得られている。
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| 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
金属/絶縁体で発現する非線形スピントロニクス効果に関して重要な知見がいくつか得られた。まず、マグノン分裂及びマグノン散乱の効果が広範囲の環境において現れ、磁気ダンピングの小さい磁性絶縁体からのスピン流生成は非線形マグノン相互作用が支配していることが明らかとなった（Scientific Reports 5, 15158 (2015)）。マグノンー伝導電子スピン流変換はスピントロニクスの重要課題の一つとして多数のグループが実験データを発表していたが、その結果を統一的に理解することが困難であった。本成果によりこのような一連のデータを体系的に理解することが可能となり、金属/絶縁体界面におけるスピン流生成現象の理解が大きく進展した。さらに同様の系でパラメトリック励起されたマグノンのスピン流変換効率を調べたところ、スピン流変換効率が波数ベクトルと共に系統的に変化し、スピン交換相互作用が支配的となる短波長極限では波数ベクトルに依らずユニバーサルな値となることが初めて明らかとなった（論文投稿中）。さらにマグノンによるスピン流生成の時間分解測定にも成功し、スピン流生成の非自明な振動現象が観測された（論文投稿中）。非線形スピントロニクス効果だけでなく、金属系におけるスピン流ー電流変換においても大きな進展が得られた。金属ヘテロ界面に発現するラシュバ効果に起因するスピン流から電流への変換（Applied Physics Letters 106, 212403 (2015)）のみならず、界面ラシュバ効果によるスピントルク生成を観測することに成功し、スピン拡散に基づいて本現象を定量的に説明するモデルを構築した（論文投稿中）。非磁性金属へテロ界面のスピン分裂はこれまでスピン流から電流への変換のみが実現されており、本研究によってこの逆効果が観測されたことは、今後重要な知見となることが期待される。
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| 今後の研究の推進方策 |
H27年度までの研究により当初の予想を上回る成果が得られており、更に戦略的に研究を推進することで、スピンホール効果を基軸としたエレクトロニクスの物理基盤を確立したい。マグノンー伝導電子スピン流変換に関しては、スピン変換効率のマグノンモード依存性の物理模型構築を目指す。スピン変換効率は金属/磁性絶縁体界面におけるスピントロニクス現象の鍵となるため、この定量的理解により、絶縁体スピントロニクスの学理構築に重要な知見となる。現在、時空間依存性に注目したスピン流測定を進めており、これによりマグノンモードに依存したスピン流生成の理解に必要となる情報が全て揃う。また、これまでにスピントルク強磁性共鳴、磁気緩和変調、スピンポンピング、高調波ホール測定といったスピン流ー電流変換の定量手法を確立しており、これらを複合的に組み合わせることで、空間対称性の低い金属系におけるスピン流ー電流変換とスピントルク生成を開拓する。これまでにいくつかの示唆的データが得られており、H28年度からはこの制御とともに、磁化反転素子への応用を目指す。
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