目次080225

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1 Newsletter vol. 1 平成 20年 3月

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4 A. Fert P. Grünberg

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6 A01 (Laboratory of Nanoscale Electron Devices) ( ) ( ) ( ) ( 55% 45%) Division of Electronics for Informatics

7 2 (HMF) HMF HMF HEMT MBE HMF Qubit (S)/ (F) : 6 (Co 2 Cr 0.6 Fe 0.4 Al, Co 2 MnGe, Co 2 MnSi) MgO MTJ MTJ 3 MTJ HMF S/F S/F/S 3 6 RHEED ( AFM, X SEM ) ( ) ( :

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9 3 Co 2 MnSi Al-O 570% MgO 750%

10 研究室紹介 東京大学物性研究所ナノスケール物性研究部門 大谷研究室 大谷研究室では磁性の起源でもあるスピンの振る舞いをナノスケールで明らかにし 将来の革新的な磁気デバイスへつながる基礎的な研究を行っています ご存じのように このようなスピン情報を用いたデバイス ( スピントロニクス ) の研究活動は世界的レベルで飛躍的に増加しています 研究室の人員は 大谷義近教授 木村崇助教 川村秘書と修士課程学生が 3 名の総勢 6 名です 大谷教授は理化学研究所フロンティア研究システム単量子操作研究グループの量子ナノ磁性研究チームリーダーを兼務しており 理研のチームでも研究者 4 名とアシスタント 1 名の体制でナノ磁性に関する研究を進めています 物性研と理研の2つの研究室が相補的に協力しながらスピントロニクス研究を展開しています これまでに 大別して次の 3 つのトピックスを 集中的な研究項目としてきました 1 番目は ナノスケールの強磁性円盤に特徴的に現れる磁気渦やそれを格子状に並べた人工結晶のスピンダイナミクス及びマイクロ波応答の研究 2 番目は スピン蓄積 スピントランスファー スピンホール効果を動作原理とするスピン流回路の要素技術の開発 そして 3 番目は生体分子モーターに良く見られるポテンシャルラチェットの機構をスピン伝導に応用した ナノ磁壁の運動制御やスピン流の整流制御の研究です 磁気渦や人工磁気渦結晶のスピンダイナミクス及びマイクロ波応答については まず理論的な研究から開始して 静磁気的に結合した磁気渦対の共鳴特性についての定式化を行ないました その結果 磁気渦対は 2 原子分子と類似した結合を示すことが分かったので このモデルをさらに拡張して磁気渦 2 次元格子 ( 人工分子マグノニッククリスタル ) の状態密度計算を行ったところ 強磁性円盤のサイズを調整することによりマイクロ波応答を設計することが可能であることを示すことができました [PRB 2003, 2004] その後 組み上げてきた時間分解カー磁力計を用いて 理論予測との比較に耐えうる実験結果を得ることを次なる目標にして研究を進めています スピン注入によって誘起されるスピン蓄積と スピン流を用いたスピントランスファーやスピンホール効果を動作原理とするスピン流回路の要素技術の開発では スピン流の生成 混合 分岐 増幅 検出のそれぞれの手法を確立することを最終目標にして研究を展開しています 効率的なスピン注入を得るための設計手法の確立 [APL 2005, PRB 2005] スピン流が運ぶスピン偏極ベクトルの電気的制御法の確立 [PRL 2007] スピンホール効果による電流を含まない純粋スピン流の創生 [PRL 2007] 純スピン流による磁化反転の実現等 [PRL 2006] 少しずつ歯車を回すことができるようになってきました 現在 最も難しいスピン流の増幅手法の確立を次のターゲットにして 動き出しています さらに 基礎物理の側面からもスピン流の可干渉性の有無についての答えを得るべく 極低温における AB リングのスピン伝導の測定も進めています ポテンシャルラチェットの機構を応用したスピン制御の研究では まずナノスケールの微小な磁壁の運動を観測するために半導体 2 次元電子ガスを用いた高感度磁化測定法を開発しました [APL 2006] この手法を用いるこ

11 研究紹介 とによって通常の磁化測定装置ではアクセスできないナノ領域の磁化過程の観測が可能になりました また 楕円形リング構造に生成された磁壁対のラチェット駆動の手法を提案し 数値計算と実験から可能性を検討しました [JMMM 2007] その他 磁壁の伝搬速度を考慮した高周波磁場の印加が磁壁対の連続的 な回転駆動に必要なことを実験的に明らかにしました [APL 2007] このように 一歩ずつ高い目標を目指してスピントロニクスに関わる研究を続けています もちろん 研究ばかりではなく 時には自然の頂にも挑戦しています ( 下写真 ) 研究室で 2007 年秋の丹沢 大山にトレッキングに行った時の写真です 最後に 研究室に興味のある方は 次の URL: /indexjpn.html を参考にして頂ければ幸いです

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14 (MRAM) (TMR) 19 IV Co 2 FeSi Si(110) Si FePt MgO TMR Fe 400% TMR Si Si 100% Si Co 2 FeSi Si (110) (110) Co 2 FeSi (1100 K) Si Co 2 FeSi Si(110)

15 Co 2 FeSi Si(110) FePt [001] 1 FePt FePt 50% MgO (001) FePt [001] 1 MgO 1 FePt MgO FePt(001) Fe 400% Fe 1 Fe FePt MgO(001)

16 研究紹介 スピン軌道相互作用を用いたスピン流の電気的な検出と制御 所属東北大学氏名新田淳作 好田誠 半導体へテロ構造におけるラシュバのスピン軌道相互作用はゲート電界により制御することが可能です このスピン軌道相互作用を用いてスピンホール効果によりスピン流を生成するとともにスピン流を電気的に検出する方法を確立することを目指して研究を進めています はじめに スピン軌道相互作用は 電界中を電子スピンが高速に運動することにより電界が磁界に変換される相対論的な効果です もしこの電界をうまく制御できれば電子スピンが感じる有効な磁界を電界により制御することが可能です スピントロニクスデバイスの実現に向けて 半導体へテロ構造のスピン軌道相互作用に着目し 磁界を用いることなく電界により電荷 スピン流の変換手法を確立することが本研究の目的です 私たちは InGaAs 二次元電子ガス中のスピン軌道相互作用がゲート電界により制御可能であることを実験的に検証しました さらに この二次元電子ガスを微小リング構造に微細加工することによりスピンの歳差回転運動を制御し スピン干渉効果を実験的に検証することに成功しました スピン干渉効果とスピンホール効果を組み合わせることによりスピン流を電気的に検出し スピン流 電荷流の相互変換技術の確立を目指して研究を進めています スピン干渉デバイス 図 1に我々の提案したスピン干渉デバイスを示します リングを伝搬する右回り 左回りの電子スピンはスピン軌道相互作用による有効な磁界により歳差運動を行いますが 有 効磁界の方向は電子の運動する方向と 電界の方向に垂直となるためそれぞれ反対方向に歳差運動することになります そこで 分波した電子スピンが出会う干渉ポイントで 相対的なスピンの角度をゲート電圧によって制御すればスピンの干渉効果によってリングのコンダクタンスが振動することが期待されます [1] 図 1. スピン干渉デバイスの模式図と動作原理 しかしながら ゲート電界を印加するとスピン軌道相互作用だけでなく電子濃度も変化してしまいます 電子濃度が変化すると電子の波長が変わってしまい スピンによる干渉効果のほかに電子の波長変化による干渉効果も同時に存在し スピンの干渉効果のみを取り出すことは困難でした そこで 図 2に示すように単一のリングではなくリング列を用いることにより リングを1 周して元の位置で干渉する時間反転対称な Al tshuler, Aronov, Spivak (AAS) 振動を抽出しました この AAS 振動は時間反転対称な干渉効果であるため電

17 子の波長がどのように変化しても 右回り 左回りの電子の軌道部分の位相は完全に等しく AAS 振動が強めあう干渉 ( コンダクタンスを下げる ) なのか 弱めあう干渉 ( コンダクタンスを上げる ) なのかはスピンの位相のみによって決定されます 図 3. 異なったゲート電圧に対する AAS 振動 AAS 振動がゲート電圧に対して大きく変調される様子 が観測される 図 2. 実際に作製したスピン干渉デバイス リン グ列をゲート電極で覆うことによりスピン軌道相 互作用を変化させている このリング列で測定された AAS 振動のゲート電圧依存性を図 3に示しています その結果 h/2e の振動周期を持った AAS 振動がゲート電圧によって強くなったり弱くなったりゲ周期的に振動している様子が観測されました 磁界 B によって振動の振幅が小さくなるのは時間反転対称性が破れることに起因した AAS 振動の特徴です さらに B= 0 における AAS 振動の振幅をゲート電圧に対してプロットすると図 4に示すように 周期的に振動している様子が観測されます この結果は 同じ InGaAs 二次元電子ガスを用いて得られたスピン軌道相互作用のゲート電圧依存性から理論的に求められる振動周期とよい一致を示すことを確認しました これらの実験と考察により AAS 振動のゲート電圧に対する周期的な振る舞いはスピン干渉効果によってもたらされたものであり スピンの歳差運動の角度はゲート電界によって制御可能であることを実証しました [2] 図 4. B 0 における AAS 振動の振幅をゲート電 圧に対してプロットしたもの 赤い十字はゲート電 圧に対するキャリア濃度依存性 図中 はスピンの 歳差回転角度を示す スピンホール効果の電気的な検出 スピン軌道相互作用は非磁性の半導体や金 属のスピン流を生み出す原因となることが指 摘され理論的 実験的に活発な研究が進めら れています スピンホール効果 [3] は電荷の流 れと垂直方向にスピン流を生成するのもです が ホール電極には同数のスピンが蓄積され るため電気的な検出には工夫が必要です 実 験的には まず光をもちいることによりスピ ン偏極キャリアの検出が報告されました [4], [5] また 金属中のスピンホール効果に関し

18 研究紹介 ては スピンポンピングやスピン注入によりあらかじめスピン偏極したキャリアを用いることにより電気的にスピン流の検出がされました [6]- [9] 図 5. スピン干渉効果とスピンホール効果を組み合わせることによりスピン流を電気的に検出するための試料 試料全体はスピン軌道相互作用を制御するためのゲート電極で覆われている 一方 スピン注入を用いることなくスピンホール効果を電気的に検出する方法が検討されています [10], [11] 我々は スピン干渉効果とスピンホール効果を組み合わせる [12] ことにより 半導体中のスピンホール効果によるスピン流を電気的に検出することを試みています 図 5は 実際に作製した試料の SEM 写真です 図 5の上のリング ( スピン流生成用 ) はスピンホール効果により生成されたスピン流を下のリング ( スピン流検出用 ) に流し込む役割をはたします 注入されたスピン流はもう一度スピンホール効果により電荷の蓄積を生じさせホール電圧で電気的に検出しようとするものです 試料全体はゲート電極で覆われています スピン軌道相互作用の強さをゲート電界により制御するとスピン流生成用リングから注入されるスピンの向きはスピン干渉効果に依存します 電荷の蓄積はスピンの向きに依存するため ホール電圧が振動 的な振る舞いをすることが期待されます 我々は スピン流の電気的な制御と検出を目指して研究を進めているところです [1] J. Nitta, F. E. Meijer, and H. Takayanagi, Appl. Phys. Lett. 75, 695 (1999). [2] T. Bergsten, T. Kobayashi, Y. Sekine, and J. Nitta, Phys. Rev. Lett. 97, (2006). [3] S. Murakami, N. Nagaosa, and S. C. Zhang, Science 301, 1348 (2003). [4] Y. K. Kato, R. C. Myers, A.C. Gossard, and D. D. Awschalom, Science 306, 1910 (2004). [5] J. Wunderlich, B. Kaestner, J. Sinova, and T. Jungwirth, Phys. Rev. Lett. 94, (2005). [6] E. Saitoh, M. Ueda, H. Miyajima, and G. Tatara, Appl. Phys. Lett. 88, (2006). [7] S. O. Valenzuela and M. Tinkham, Nature 422, 176 (2006). [8] T. Kimura, Y. Otani, T. Sato, S. Takahashi, and S. Maekawa, Phys. Rev. Lett. 98, (2007). [9] T. Seki, Y. Hasegawa, S. Mitani, S. Takahashi, H. Imamura, S. Maekawa, J. Nitta, and K. Takanashi, To be published in Nature Materials. [10] J. E. Hirsch, Phys. Rev. Lett. 83, 1834 (1999). [11] E. M. Hankiewicz, L. W. Molenkamp, T. Jungwirth, and J. Sinova, Phys. Rev. B70, (R) (2004). [12] S. Souma and B. K. Nikolic, Phys. Rev. Lett. 94, (2005). 氏名 : 新田淳作氏名 : 好田誠所属 : 東北大学大学院工学研究科

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20 [1,3] 1(a) H 1(b) J m Dirac E rote=j m J S 1(c) (a) (b) (c)

21 1970 Dyakonov Hirsch Sinova [2] 2 1 k k k k 2 1 k 2

22 NiFe Cu 2006 [3] Valenzuela 2007 [4] 2008 [5] 3 NiFe M =Pt,Pd,Ag,Au,Cu ( ) H FMR M Cu Pt [1] 42 (2007) 495. [2] S. Murakami et al., Science 301 (2003) [3] E. Saitoh et al., Appl. Phys. Lett. 88 (2006) [4] T. Kimura et al., Phys. Rev. Lett. 98 (2007) [5] T. Seki et al., Nature Materials 7 (2008) 125.

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24 2 III-V 80 [1] [2]

25 InMnAs Tc = 90 K, GaMnAs Tc = 170 K 2 3 (Ga,Mn)As Femto ( 4) 4 [3] []

26 p-ingaas / n-algaas p-n 1. H. Munekata, et al., Phys. Rev. Lett. 63, 1849 (89). 2. H. Munekata, in Concepts in Spintronics (ed. S. Maekawa, Oxford Science Publications, 2006). 3. Y. Hashimoto. et al., Phys. Rev. Lett. (2008) in press ; arxiv: v1

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28 2007 A. Fert P. Grünberg P. Grünberg 1998 P. Grünberg P. Grünberg

29 12 8 Aula Magna KTH P. Grünberg A. Fert P. Grünberg Fe/Cr A. Fert Fe/Cr G. Ertl G. Ertl 12 9 P. Grünberg BBC P. Grünberg A. Fert P. Grünberg

30 P. Grünberg Lee A. Fert

31 P. Grünberg A. Fert P. Grünberg P. Grünberg

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33 :00-13:20 13:20-13:40 13:40-14:00 14:00-14:20 14:20-14:40 14:40-15:00 15:00-15:20 15:20-15:40 15:40-16:00 16:00-16:20 16:20-16:40 16:40-17:00 17:00-17:20 18:00-20:00

34 9:00-9:20 9:20-9:40 9:40-10:00 10:00-10:20 10:20-10:40 10:40-11:00 11:00-11:20 11:20-11:40 11:40-12:00 12:00-12:20 12:20-14:00 14:00-14:20 14:20-14:40 14:40-15:00 15:00-15:20 15:20-15:40

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36 This work was supported by a Grant-in-Aid for Scientific Research in Priority Area Creation and control of spin current from the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology, Japan.

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