2012 Fiscal Year Research-status Report
位相不変量をもつスピン現象の理論研究及びその応用デバイスの設計
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24560001
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
近藤 憲治 北海道大学, 電子科学研究所, 講師 (50360946)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
海住 英生 北海道大学, 電子科学研究所, 助教 (70396323)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | スピントロニクス / 物性理論 / 第一原理計算 / 磁性 / スピン輸送 |
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| Research Abstract |
平成24年度は、SQCS素子の接合部に反転対称性の無い半導体であるGaAsやGaSbを挟んだ際に、これらの物質で3次のDresselhausスピン軌道相互作用が働いた場合のスピン伝導に関して、理論計算を行った。半導体の膜厚を変化させて計算した磁気抵抗(MR)比の結果より、スピン軌道相互作用が働かない絶縁体バリアの場合、MR比はバリア膜厚を変えても常に正であるが、GaAsバリアの場合、非常にバリア膜厚が薄い場合（0.01～0.02nm）は、MR比は正であるが、厚みを増すとすぐに負になってしまい、バリア膜厚が3nmまで、ずっと負のままであった。一方、スピン軌道相互作用の大きいGaSbバリアの場合、GaAsと同様に非常にバリア膜厚が薄い場合（0.01～0.02nm）は、MR比は正で、厚みを増すとすぐに負になってしまうが、やがて、厚みが1nm程度で符号を変えて、再び正になることが判明した。これら結果から、SQCS素子に、GaAsやGaSbを挟めば、スピンフィルターとして役に立つことを定量的に予想することが出来た。またこの系は、非可換ゲージ場による仮想磁場が生じてスピンが回転することから、その非可換ゲージ場を導出した。また、近年、Siに3端子でスピンを注入した際に観測される巨大Hanle効果が話題を集めている。そこで、SQCS素子において強磁性金属リボン間から間に挟んだSiにトンネルバリアを介してスピン注入をすることを想定して、強磁性CoFeからMgOバリアを介して、Siにスピンを注入した際に観測されるHanle効果について考察した。その結果、北大工学部の植村らが、この3端子Hanle効果測定においては、MgOバリアの幅とHanle電圧（シート抵抗⊿Rs換算）に指数関数的な対応が見られることを発見した実験事実を簡単なモデルで説明することに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究課題の目的としては、位相不変量を背景としたスピン現象の解明を行うとともに、新規な応用デバイスをスピントロニクスに応用することであるので、SQCS素子の接合部に反転対称性の無い半導体であるGaAsやGaSbを挟んだ際に、これらの物質で3次のDresselhausスピン軌道相互作用が働いた場合のスピン伝導を解明できたことは、非可換ゲージ場にともなうBerry曲率下でのスピンの運動の研究を行ったことになる。この事は、位相不変量であるBerry位相の応用の一例と言える。一方、3端子Hanle効果の巨大信号の解明は、SiやGaAsと言った半導体にスピンを注入するという技術に一石を投じた研究であると考えている。また、連携研究者との研究であるInAsP量子ドットでのエキシトン・スピンの縦緩和ならびに横緩和の研究はスピントロニクスの応用の一つである量子コンピュータへ続く研究を行ったことになり、これらのInAsP量子ドットを新規な応用デバイスとして発展させうる研究であり、当初の目的を順調にこなしていると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、電極にトポロジカル絶縁体を用いたSQCS素子のスピン伝導・緩和特性の理論計算を行っていく。電極をトポロジカル絶縁体にした場合に、その分散特性をDirac-Coneで取り入れて、エッジを介したスピン伝導・緩和特性を計算する。その際にバックゲートの電圧を変えて計算を行う事で、スピン注入出来ると思われるので、その注入効率や電流・ゲート電圧特性を計算する。また散逸に関しても電極では生じないが、エッジを介して、スピン伝導した際には散逸は生じると思われるので、それが、通常の電極を利用した際と比較して大きな差を生じるのか検討する。上記の計算が上手く行けば、電極にトポロジカル絶縁体を用いたSQCS素子のスピン伝導特性の実験による検証を研究分担者と行う。具体的にはBi2Se3の様なトポロジカル絶縁体を手に入れて、SQCS素子にバックゲートを取りつけて、上記で予想されたスピン注入効率や電流・ゲート電圧特性の検証を実験的に行う。
さらに、SQCS素子の電極を強磁性体にしたときに生じる異常ホール効果を利用した場合のスピンコンダクタンスの計算を行う。その際に不純物の影響による内因性と外因性のクロスオーバーが電流・電圧特性にどのように現れるかを計算する。また背後にあるベリー位相の位相差が、伝導特性にどのように現れるのかを検討する予定である。この理論計算により面白い結果が得られれば、SQCS素子を使って、強磁性体による異常ホール効果によるスピン注入実験を行い、その電流・電圧特性を測定する。その結果スピンコンダクタンスから、異常ホール効果の大きさの決定や内因性と外因性機構のクロスオーバーを検討する。また上記の理論で、ベリー位相の位相差が電流・電圧特性に顕に現れる条件を見つけることが出来たならば、その直接観察も行う。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
平成24年度未使用額については、平成25年度に購入予定のHPCコンピュータを一段グレードの
高いものにするために使用する予定である。
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[Journal Article] Longitudinal and transverse exciton-spin relaxation in a single InAsP quantum dot embedded inside a standing InP nanowire using photoluminescence spectroscopy2012
Author(s)
H. Sasakura, C. Hermannstadter, S. N. Dorenbos, N. Akopian, M. P. Kouwen, J. Motohisa, Y. Kobayashi, H. Kumano, K. Kondo, K. Tomioka, T. Fukui, I. Suemune, and V. Zwiller
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 85
Pages: 075324-1～7
DOI
Peer Reviewed
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