| 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(矢上), 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(矢上), 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－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。本年度は、電流－スピン流変換効率の増大機構を開拓した。空間反転対称性の破れによって発現するBi/Ag界面のスピン変換現象が、Bi表面への自己組織化有機単分子膜形成により制御可能であることを明らかにし、この起源が有機分子/Bi界面における電荷移行にあることを見出した。さらに、アゾベンゼン自己組織化単分子膜をスピントロニクス素子表面に形成することで、光照射による分子構造変化によって、電流－スピン流変換効率を制御可能であることを明らかにした。また、自然酸化Cuにおいて見出したスピン軌道トルク生成効率の増大現象に関する研究を展開し、スピントロニクスで最も広く用いられている重金属であるPtは、酸化により絶縁体となっても効果的なスピン軌道トルク源となり、Pt酸化物絶縁体を用いたスピン軌道トルク生成効率（電流からスピン流への変換効率）は、トポロジカル絶縁体に匹敵する非常に高いものであることを明らかにした。
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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
スピントロニクスにおける重要な機能の多くは、スピン軌道相互作用によって実現される。半導体素子では、スピン軌道相互作用を外部から制御する手法が確立されており、これにより可能となる様々な機能・現象が提案されてきた。一方、金属をベースとしたスピントロニクス素子では、スピン軌道相互作用を制御することは非常に困難であることが知られていた。今回の研究により、有機分子を使ったこれまでにないアプローチで、金属スピントロニクス素子におけるRashbaスピン軌道相互作用を制御可能であることが初めて明らかとなった。これにより、重金属ドーピングに頼ってきた金属スピントロニクス素子における電流－スピン流変換効率向上を、分子エンジニアリングにより実現する新原理が見出された。さらに、金属酸化物絶縁体を用いたスピントロニクス素子の駆動は、これまでのあらゆるスピントロニクス素子が抱えていた重金属に流れるバルク電流によるエネルギー損失を、根本的に回避できる省エネルギー素子実現への道を開くものである。金属酸化物絶縁体がトポロジカル絶縁体に匹敵するスピン軌道トルク効率を示すという期待以上の結果は、金属酸化物絶縁体という新たなスピントロニクス物質群の重要性を明らかにしただけでなく、界面電流を念頭に置いたスピントロニクス素子設計の新たなルートを拓くものである。以上のことから、当初の計画を超える進展があったと自己評価する。
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| 今後の研究の推進方策 |
残りの研究期間では、これまでに得られた一連の成果を基に、電流－スピン流変換の制御・増大とスピン伝導物性の更なる開拓へ向けた研究を推進する。自己組織化有機単分子膜を用いた電流－スピン流変換の分子エンジニアリングに関しては、有機分子のダイポールモーメントに注目し、スピン軌道相互作用の顕著な変化を目指す。これと平行して、よりシンプルな素子構造で分子エンジニアリングの効果を定量し、スピントロニクス素子への分子形成によるスピン軌道相互作用変化の一般性を明らかにする。また、スピン軌道トルクに対する金属の酸化効果の微視的メカニズムを解明するためには、スピン軌道トルク効率と酸化濃度の系統的データを収集することが必須であり、これを継続して進める。特にスピン軌道相互作用の強い重金属において高い電流－スピン流変換効率が実現されることが期待され、これにより電流－スピン流変換効率100%の達成を目指す。
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