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2014 年度 実施状況報告書

磁性半導体界面におけるスピン流生成とスピン流による物性制御

研究課題

研究課題/領域番号 26790037
研究機関東北大学

研究代表者

中山 裕康  東北大学, 電気通信研究所, JSPS特別研究員(PD) (30727011)

研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2016-03-31
キーワードスピン流生成 / スピンポンピング / スピンホール効果 / スピンミキシングコンダクタンス / 強磁性半導体
研究実績の概要

強磁性半導体は正孔を媒介とした磁性スピン間の相互作用を介して磁気秩序を発現する。そのため、電界による正孔数の変調による磁性制御という新しい物理現象の観測の場を提供してきた。その一方で、強磁性の発現には低温環境が必要不可欠であり、200 K以下のキュリー温度近傍、もしくはそれ以下の低温領域における研究に留まっており、キュリー温度の向上が課題とされている。本研究では、強磁性半導体を用いたスピン流-磁化相互作用による新しい物性制御手法の確立を目指す。
研究開始後初年度に当たる本年度は、金属/強磁性半導体界面における磁化ダイナミクスを利用した動的スピン流生成(スピンポンピング)の研究に取り組み、スピン流に起因する電圧信号の検出に成功し、その界面におけるスピンミキシングコンダクタンスの値を決定した。その結果、金属/強磁性半導体界面におけるスピンミキシングコンダクタンスが半導体/強磁性半導体における値より一桁大きな値を示すことを明らかにした。さらに、スピンポンピングにより生成されるスピン流のスピン偏極の極性が強磁性体層のスピン偏極の極性に依存することを示した。以上の結果は、金属/強磁性半導体界面がスピン流による強磁性半導体の磁化状態の制御に適した物質系であることを示すものであるとともに、スピン流の生成・検出手法として様々な物質系に広く用いられているスピンポンピングおよび逆スピンホール効果の機構に新たな知見をもたらすものと考えられる。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

研究計画に従い金属/強磁性半導体積層構造を作成し、スピンポンピングおよび逆スピンホール効果を系統的に調べた。その結果、Pt/(Ga,Mn)As界面において常磁性金属/強磁性金属積層構造のスピンミキシングコンダクタンスに匹敵する大きな値を得た。更に、スピンポンピングにより生成されるスピン流の偏極が強磁性層のスピン偏極の符号に依存することを示した。スピン流の生成・検出に広く用いられている本手法に対して新たな知見を示した意義は大きく、次年度の展開につながる研究成果と考えられ、本研究はおおむね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

初年度の研究により、Pt/(Ga,Mn)As界面においてp型GaAs/(Ga,Mn)As界面の13倍大きなスピンミキシングコンダクタンスを実現した。Pt/(Ga,Mn)As界面におけるスピンミキシングコンダクタンスは常磁性金属/強磁性金属接合の値に匹敵する大きなものであるが、強磁性半導体は強磁性金属と比較して小さな磁化を有するため、強磁性半導体の磁化は金属強磁性体よりもスピン流を用いて制御しやすいものと考えられる。このような高スピンミキシングコンダクタンスを有する金属/強磁性半導体界面を利用することで、今後は金属薄膜のスピンホール効果によるスピン流生成手法や、様々な磁性体ヘテロ構造における動的スピン流生成手法による磁性体の磁気特性の変調を目指す。

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2015 2014

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (6件)

  • [雑誌論文] Interface-dependent magneto transport properties for thin Pt films on ferrimagnetic Y3Fe5O122014

    • 著者名/発表者名
      Y. Shiomi, T. Ohtani, S. Iguchi, T. Sasaki, Z. Qiu, H. Nakayama, K. Uchida, and E. Saitoh
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 104 ページ: 242406

    • DOI

      10.1063/1.4883898

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Ferromagnetic resonance induced electrical signals in Pt/(Ga,Mn)As2015

    • 著者名/発表者名
      Hiroyasu Nakayama,Lin Chen,Hsiao Wen Chang,Fumihiro Matsukura,Hideo Ohno
    • 学会等名
      第62回 応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      平塚
    • 年月日
      2015-03-12
  • [学会発表] スピンポンピングによるPt/(Ga,Mn)As界面のスピン流生成2015

    • 著者名/発表者名
      中山裕康,陳林,張暁文,大野英男,松倉文礼
    • 学会等名
      新学術領域研究「ナノスピン変換科学」 平成26年度 スピン変換年次報告会
    • 発表場所
      京都
    • 年月日
      2015-03-04
  • [学会発表] DC voltages in Pt/(Ga,Mn)As under ferromagnetic resonance2014

    • 著者名/発表者名
      Hiroyasu Nakayama,Lin Chen,Hsiao Wen Chang,Fumihiro Matsukura,Hideo Ohno
    • 学会等名
      第19回 半導体スピン工学の基礎と応用 PASPS-19
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2014-12-16
  • [学会発表] Pt/(Ga,Mn)As構造における強磁性共鳴下の直流電圧信号2014

    • 著者名/発表者名
      中山裕康,Lin Chen,Hsiao Wen Chang,松倉文礼,大野英男
    • 学会等名
      応用物理学会東北支部 第69回学術講演会
    • 発表場所
      仙台
    • 年月日
      2014-12-04
  • [学会発表] Interface-dependent magnetotransport properties for thin Pt films on ferrimagnetic Y3Fe5O122014

    • 著者名/発表者名
      塩見雄毅,大谷隆史,井口敏,佐々木孝彦,邱志勇,中山裕康,内田健一,齊藤英治
    • 学会等名
      第75回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      札幌
    • 年月日
      2014-09-17
  • [学会発表] dc Voltages Measured in Py/ZnO under ferromagnetic Resonance2014

    • 著者名/発表者名
      Sophie D’Ambrosio, Lin Chen, Hiroyasu Nakayama, Fumihiro Matsukura, Tomasz Dietl, and Hideo Ohno
    • 学会等名
      12th RIEC International Workshop on Spintronics
    • 発表場所
      仙台
    • 年月日
      2014-06-26

URL: 

公開日: 2016-06-01  

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