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2015 年度 実績報告書

2次元電子ガス2層系における結合共鳴スピンホール効果の研究

研究課題

研究課題/領域番号 26600012
研究機関大阪工業大学

研究代表者

山田 省二  大阪工業大学, 教育センター, 教授 (00262593)

研究分担者 岩瀬 比宇麻  北陸先端科学技術大学院大学, 学内共同利用施設等, 助教 (10709132) [辞退]
村上 修一  東京工業大学, 理工学研究科, 教授 (30282685)
内富 直隆  長岡技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20313562)
研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2016-03-31
キーワードスピンホール効果 / 2次元電子系 / 2層系 / スピントランジスタ
研究実績の概要

半導体2次元電子系でのスピンホール効果は、一般には損失があるためその観測が困難とされてきた。しかしながら、この現象を2層系での共鳴現象として観測できる可能性があることが近年提案された。本研究の目的はこの仮説を初めて実験的に検証することにある。
われわれはこれまでに、それぞれが強いスピン軌道相互作用をもつ2次元電子ガス2層系を高In組成InGaAs/InAlAs構造で実現してきた。研究初年度は、この構造の試料を用い、上記共鳴スピンホール効果観測のための素子設計・作製に注力した。素子は、この基板を多端子ホールバーに加工したもので、大きくスピン注入部とスピン検出部に分かれる。スピン注入部では、ホールバーの長手方向と直角な方向に電流を流し、スピンホール効果によりスピン偏極=スピン流を発生させる。注入部からの拡散スピン流をスピン検出部で捉えるには、逆スピンホール効果を用いる。発生する逆スピンホール電圧は複数の電圧プローブで、非局所電圧として測定する。また、共鳴条件=2つの2次元電子ガス分散関係の結合条件を変えるため、注入・検出部に独立のトップゲート電極を設置した。
最終年度は、2回の試作で得られた素子の極低温測定を順次系統的に行った。測定は、注入部・検出部に加えるゲート電圧を系統的に変化させ、そのときの3組の側面部、上部プローブの非局所電圧を測定する。厳密には、注入部端部から同じ距離にある側面プローブと上部プローブの電圧を同時に測定し、それらの和を取ることで、逆スピンホール電圧の測定が可能であることがわかった。得られた電圧信号には、2つの2次元電子ガスのシート電子濃度が大体同じになる条件で、ピークが現れることが判った。これらのピークは、注入部より検出部ゲート電圧変化に対してより鋭い依存性をもっていた。これらの結果は、電子系でのスピンホール効果が初めて明確に観測されたことを示唆する。

  • 研究成果

    (18件)

すべて 2016 2015

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 10件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] Crystalline Quality and Structure of MBE-grown Ferromagnetic Semiconductor ZnSnAs2:Mn Thin Films Revealed by High-Resolution X-ray Diffraction2016

    • 著者名/発表者名
      N. Uchitomi, T. Toyota, T. Takahashi
    • 雑誌名

      Z. Phys. Chem.

      巻: 20 ページ: 499-508

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1515/Z. Phys. Chem.20.499

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Large As sublattice distortion in sphalerite ZnSnAs2 thin films revealed by x-ray fluorescence holography2016

    • 著者名/発表者名
      K. Hayashi, N. Uchitomi, K. Yamagami, A. Suzuki, H. Yoshizawa, J. T. Asubar, N. Happo, S. Hosokawa
    • 雑誌名

      J. Appl. Phys.

      巻: 119 ページ: 125703-125709

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1063/JAP.119.125703

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Theory of unconventional spin states in surfaces with non-Rashba spin-orbit interaction2015

    • 著者名/発表者名
      Kokin Nakajin and Shuichi Murakami
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 91 ページ: 245428 - 1-9

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.91.245428

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] InGaAs2次元電子ガス2層系における共鳴スピンホール効果測定2016

    • 著者名/発表者名
      山田省二、藤元章、添田幸伸、赤堀誠志
    • 学会等名
      日本物理学会第71回年次大会
    • 発表場所
      東北学院大学泉キャンパス
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] 表面反転層高In組成InGaAs2次元電子ガス2層系におけるサブバンド構造と量子ホール効果2016

    • 著者名/発表者名
      添田幸伸、赤堀誠志、藤元章、山田省二、今中康貴、竹端寛治
    • 学会等名
      日本物理学会第71回年次大会
    • 発表場所
      東北学院大学泉キャンパス
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] 高In組成InGaAs2次元電子ガスにおけるスピンバルブ特性の結晶方位依存性2016

    • 著者名/発表者名
      、添田幸伸、日高志郎、赤堀誠志、山田省二
    • 学会等名
      日本物理学会第71回年次大会
    • 発表場所
      東北学院大学泉キャンパス
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] Topological phase transition and surface states in Weyl and nodal-line semimetals2016

    • 著者名/発表者名
      Shuichi Murakami
    • 学会等名
      PCTS Workshop “Dirac and Weyl Fermions in Topological Semimetals
    • 発表場所
      Princeton, USA
    • 年月日
      2016-03-11
    • 国際学会
  • [学会発表] Topology in the Momentum Space and Emergent Phenomena: From Electrons to Waves in Solids2016

    • 著者名/発表者名
      Shuichi Murakami
    • 学会等名
      IAS Winter School & Workshop on Advanced Concepts in Wave Physics: Topology and Parity-time Symmetries
    • 発表場所
      Hong Kong
    • 年月日
      2016-01-14
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] In-Plane Transport Properties of MnAs/InAs/ GaAs(111)B Grown by Molecular Beam Epitaxy2015

    • 著者名/発表者名
      Md. E. Islam, C. T. Nguyen, M. Akabori
    • 学会等名
      2nd International Symposium on Frontiers in Materials Science, P3-26
    • 発表場所
      Tokyo, Japan
    • 年月日
      2015-11-19 – 2015-11-21
    • 国際学会
  • [学会発表] Characterization of Spin-Orbit Coupling in Gated Wire Structures Using In0.75Ga0.25As/In0.75Al0.25As Inverted Heterojunctions2015

    • 著者名/発表者名
      T. Ohori, M. Akabori, S. Hidaka, and S. Yamada
    • 学会等名
      2nd International Symposium on Frontiers in Materials Science, R3-3-3
    • 発表場所
      Tokyo Japan
    • 年月日
      2015-11-19 – 2015-11-21
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Nitrogen and helium gas field ion source for nanofabrication2015

    • 著者名/発表者名
      M. E. Schmidt, K. Nagahara, O. Takechi, M. Akabori, A. Yasaka, T. Shimoda and M. Mizuta
    • 学会等名
      AVS 62nd International Symposium & Exhibition 2015
    • 発表場所
      San Jose, California, USA
    • 年月日
      2015-10-18 – 2015-10-23
    • 国際学会
  • [学会発表] 高In組成InGaAs/InAlAs2次元電子ガス2層系共鳴スピンホール効果観測の基本検討2015

    • 著者名/発表者名
      山田省二、藤元章、赤堀誠志
    • 学会等名
      日本物理学会2015年秋季大会
    • 発表場所
      関西大学千里山キャンパス
    • 年月日
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [学会発表] InGaAs/InAlAs2次元電子ガス2層系における分数量子ホールプラトーの痕跡2015

    • 著者名/発表者名
      山田省二、今中康貴、竹端寛治、赤堀誠志
    • 学会等名
      日本物理学会2015年秋季大会
    • 発表場所
      関西大学千里山キャンパス
    • 年月日
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [学会発表] Traces of fractional quantum Hall plateaus in asymmetric two-dimensional bilayer system in wide In[0.75]Ga[0.25]As well2015

    • 著者名/発表者名
      S. Hidaka, H. Iwase, M. Akabori, S. Yamada, Y. Imanaka, K. Takehana
    • 学会等名
      21st International Conference of Electronic Properties of Two-dimensional Systems
    • 発表場所
      Sendai, Japan
    • 年月日
      2015-07-26 – 2015-07-31
    • 国際学会
  • [学会発表] Fabrication and characterization of gated parallel wire structures having a metamorphic InGaAs/InAlAs heterojunction with high In content2015

    • 著者名/発表者名
      T. Ohori, M. Akabori, S. Hidaka, S. Yamada
    • 学会等名
      21st International Conference of Electronic Properties of Two-dimensional Systems
    • 発表場所
      Sendai, Japan
    • 年月日
      2015-07-26 – 2015-07-31
    • 国際学会
  • [学会発表] Subband transport in two-dimensional electron gas bilayer system in narrow In]0.75]Ga[0.25]As well with center In[0.75]Al[0.25]As barrier2015

    • 著者名/発表者名
      K. Hu, S. Hidaka, H. Iwase, M. Akabori, S. Yamada
    • 学会等名
      21st International Conference of Electronic Properties of Two-dimensional Systems
    • 発表場所
      Sendai, Japan
    • 年月日
      2015-07-26 – 2015-07-31
    • 国際学会
  • [学会発表] Cyclotron resonance in InGaAs Rashba bilayer system2015

    • 著者名/発表者名
      Y. Imanaka, K. Takehana, S. Hidaka, H. Iwase, M. Akabori, S. Yamada
    • 学会等名
      21st International Conference of Electronic Properties of Two-dimensional Systems
    • 発表場所
      Sendai, Japan
    • 年月日
      2015-07-26 – 2015-07-31
    • 国際学会
  • [学会発表] Interfacial Fermi Loops from Interfacial Symmetries"2015

    • 著者名/発表者名
      Shuichi Murakami
    • 学会等名
      Gordon Research Conference "Topological & Correlated Matter"
    • 発表場所
      Hong Kong
    • 年月日
      2015-06-30
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2017-01-06  

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