Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

スピン / スピン軌道トルク / 磁化反転 / 強磁性半導体 / 垂直磁化 / 低消費電力デバイス / スピントロニクス / (Ga,Mn)As

本研究では、エピタキシャル成長により垂直磁気異方性をもつ単一の強磁性半導体GaMnAs薄膜をInGaAs/GaAs 基板上に形成し、垂直磁気異方性をもつGaMnAs薄膜に電流を流すことにより、スピン軌道トルク(SOT)によるきわめて高効率の磁化反転に成功した。さらにこれは単一の磁性層でありながらGaMnAs中のDresselhaus型スピン軌道相互作用により電流がスピン流に変換され、スピン軌道トルクがGaMnAsの磁化に働くことによる磁化反転が起こったものと理解される。磁化反転のために必要な電流密度JCは従来のSOT磁化反転の報告値よりも約2桁も小さい。さらに、GaMnAsの薄膜においては、スピン軌道相互作用の性質から[110]方向に電流を流すことがスピン軌道トルクを用いた磁化反転に有効であること、およびMn濃度の不均一性に起因して電流分布が不均一になっており、GaMnAsの膜厚を変えることにより電流により生じる磁場の空間分布が変わることを見出した。磁化反転の妨げとなりうるフィールドライクトルク成分を、電流によって生じる磁場により最適化できるようにGaMnAs膜厚を調整した結果、世界最小の電流密度である4.6×10^4A/cm2の微小電流密度（従来より3桁低いJc）で180度磁化反転を実現した。本研究により、物質の内部に大きなスピン軌道相互作用が存在すれば、電流により磁化を反転できることがわかった。この場合、単層膜に単純に電流を流せば良く、従来のように二重層構造を精密に制御して作製する必要はない。従って、デバイス構造がより単純になる。また、トップゲート構造をもつ電界効果トランジスタを作製し、ゲート電圧によるSOTの強さとJcの制御、さらにゼロ磁場での磁化反転にも成功した。本研究の成果は、超低消費電力スピンデバイスの実現に向けて重要な進展をもたらすものである。

スピントロニクス / 磁化反転 / トンネル磁気抵抗効果 / 電界効果 / 分子線エピタキシー / 電子軌道 / 磁気異方性 / 磁化回転 / 単結晶ヘテロ構造 / 酸化物 / 電子軌道制御

ペロブスカイト酸化物ヘテロ構造LaSrMnO3/SrTiO3/LaSrMnO3において、15～200 mV程度の極低電圧かつ、0.01 A/cm2という従来の磁化反転方式に必要な電流密度の約8桁小さな電流密度で、磁化を膜面内で90度回転させることに成功した。
オールエピタキシャル強磁性半導体GaMnAs単膜において、電流を流すだけで、磁化を反転できることを明らかにした。さらにGaMnAsの膜厚を変えた一連の試料で同様の測定を行ったところ、膜厚が15 nmの時に、スピントルク磁化反転現象においては世界最小である46,000 A/cm2で磁化を反転できることを示した。

本研究では、実際に電子の軌道状態を電圧で制御することにより、磁化スイッチに必要な電圧値を人工的に制御して、超低消費電力磁化スイッチを実現できることを明らかにした。また、従来、スピン軌道トルク磁化反転の研究は、重金属層と強磁性層の２層膜の系で行われてきたが、GaMnAsのように、物質内部に大きなスピン軌道相互作用が存在し、大きなフェルミ面が存在するような物質においては、単膜に電流を流すだけで磁化反転を誘起出来ることを明らかにした。より単純な素子構造で簡単にかつ高効率に磁化反転ができる新たな可能性を示すことができた。

スピントロニクス / 磁化反転 / トンネル磁気抵抗効果 / 電界効果 / 分子線エピタキシー / 酸化物 / エピタキシャル / 半導体 / 強磁性 / スピン流 / エピタキシャル成長 / トランジスタ / 二次元界面 / トポロジカル / ヘテロ構造 / スピントランジスタ / 単結晶

本研究では、超高品質単結晶ヘテロ構造の作製技術を用いることにより、物質が本来内因するスピンに依存した機能性を新たに開拓することを目標とした。実際に、酸化物の二次元電子ガスを用いて極めて高効率のスピン流電流変換に成功した。半導体ベースの強磁性材料において、強磁性体単一層に電流を流すだけで磁化反転が起こることを見出し、世界最小電流密度での磁化反転に成功した。酸化物磁気トンネル接合において、強磁性酸化物界面の特異な状態密度を活かして、金属系接合で磁化反転に必要な電流密度より約8桁小さな電流密度で磁化の90度回転が起こることを発見した。デバイス応用上有望な様々な新たな基礎的な知見を得ることができた。

原理的にエネルギー散逸がないとされている純スピン流を利用したり、強磁性体の磁化の不揮発性を利用して現在の集積回路を完全不揮発にすることにより、情報機器の消費電力を極限まで低減できる新しい技術を開拓することは極めて重要な課題である。本研究では、スピンの散乱を大幅に低減可能なオールエピタキシャルの酸化物二次元電子系や、半導体や酸化物の高品質単結晶ヘテロ構造を用いて、非常に高効率のスピン流電流変換や、世界最小の電流密度での磁化反転現象や磁化回転現象などを観測することに成功した。本研究で得られた新たな知見は、将来的には、全不揮発の極限的な低消費エネルギー情報処理技術の実現に結びつくものと期待される。