スピン流スイッチの動作原理を発見・実証

スピントロニクスのトランジスタ開発に道

2018-05-29　東北大学材料科学高等研究所（ＡＩＭＲ）,東北大学金属材料研究所,科学技術振興機構（ＪＳＴ）

ＪＳＴ戦略的創造研究推進事業ＥＲＡＴＯ齊藤スピン量子整流プロジェクトにおいて、ＺｈｉｙｏｎｇＱｉｕ　助教（東北大学金属材料研究所）と齊藤英治　教授（東北大学材料科学高等研究所／金属材料研究所）らは、スピン流の流れやすさを制御するスピン流スイッチの原理を発見・実証しました。

スピントロニクス^注１）は電子の電荷だけではなく、スピンをも利用した次世代の情報処理技術です。スピントロニクスを利用したデバイスは、高速かつ不揮発なメモリーや、超高密度なハードディスクとして身近になりつつあります。しかしながら、スピントロニクスにおいては、スピン流の流れやすさを制御するスピン流スイッチを実現する手段が確立されておらず、その動作原理の発見・実証が望まれていました。

本研究では、反強磁性体^注２）の相転移での振る舞いを利用して、スピン流スイッチが実現できることを実証しました。スピン流の具体的な素子には、磁性絶縁体であるイットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）とスピン流検出用の白金（Ｐｔ）の間に、反強磁性体である酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）を挟んだ構造を用いました。ＹＩＧからＰｔに向けてスピン流を注入すると、Ｃｒ_２Ｏ_３でのスピン流の流れやすさに応じた起電力が、Ｐｔに生じます。本研究では、この起電力測定を通じて、反強磁性相転移により、Ｃｒ_２Ｏ_３がスピン流に対する導体から絶縁体に変わることを見いだしました。さらに、この相転移の近くで磁場を加えることによって、この相転移前後のスピン流の流れやすさを５００％もの大きさで変化させられることを示しました。齊藤教授らは、電流における類似の現象から、本現象を「巨大スピン磁気抵抗効果」と名付けました。

これは、外部磁場によってスピン流の流れやすさを制御できる、すなわちスピン流のスイッチを実現する原理を発見したことになります。本研究は、これまでスピントロニクスに欠けていたスピン流スイッチを見いだしたものとして、さまざまなスピントロニクスデバイスの展開に貢献するものと期待されます。

本研究成果は、２０１８年５月２８日（英国時間）に英国科学誌「ＮａｔｕｒｅＭａｔｅｒｉａｌｓ」のオンライン版で公開されます。

＜研究の背景と経緯＞

スピントロニクスは電子の電荷だけではなく、スピンをも利用した次世代の情報処理技術です。スピントロニクスを利用したデバイスは、高速かつ不揮発なメモリーや、超高密度なハードディスクとして身近になりつつあります。エレクトロニクスにおいては、電子の流れである電流が利用されますが、スピントロニクスにおいては電子の持つ電荷とスピンの両方が利用されます。

スピン流とは電子スピンの流れです。スピン流は電流を伴う必要はなく、電気の流れない磁性体中を伝搬することができます。そのため、従来の電気回路ではスピン流を生成・検出することはできませんでした。しかしながら、近年発見された逆スピンホール効果^注３）やスピンゼーベック効果^注４）といった新現象によって、スピン流を用いた素子の開発が可能になりました。これらの発展によって、純粋にスピン流のみを利用した情報処理技術の研究が進められており、そのような素子は電流に伴うエネルギーロスの少ない、より省電力なデバイスとなり得ると期待されています。

エレクトロニクスの発展では、トランジスタの発明が大きな役割を果たしました。トランジスタは電流の流れをオン・オフするスイッチであり、このオン・オフによって情報の伝達・演算・保存が可能となりました。トランジスタの小型化と集積化に伴う性能向上のスケーラビリティはムーアの法則として知られ、現代の半導体デバイスの発展の歴史そのものです。しかしながら、スピントロニクスにおいては、スピン流の流れを制御するスピン流スイッチを実現する手段が確立されていませんでした。そのため、スピン流のみで動作するデバイスを構成するための最も基本的な素子である、スピン流スイッチの実証が望まれていました。

＜研究の内容＞

本研究は、反強磁性体の相転移での振る舞いを新たに発見し（巨大スピン磁気抵抗効果）、これを利用して、スピン流の流れを制御するスピン流スイッチが実現できることを実証しました。具体的な素子は、磁性絶縁体であるイットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）とスピン流検出用の白金（Ｐｔ）の間に、反強磁性体である酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）を挟んだ構造を用いました（図（ａ））。

反強磁性体は磁石の一種ですが、その内部での電子スピンの並び方に特徴があります。普通の磁石は全ての電子スピンが同じ方向を向いているのに対して、反強磁性体では電子スピンが互い違いに逆向きを向いています。そのため、正味の磁化は発現しませんが、電子スピンの並び方（秩序）を持った物質です。この反強磁性体における電子スピンの並び方は、ネールベクトルと呼ばれる量で特徴付けられます。

本研究では、Ｃｒ_２Ｏ_３のスピン流の流れやすさを調べました。スピン流の流れやすさは、ＹＩＧからＰｔに向けてスピン流を注入して調べることができます（図（ａ）、（ｂ））。まずＹＩＧに温度差をつけることで、スピンゼーベック効果によってスピン流がＰｔへ向けて注入されます。Ｐｔへ注入されたスピン流は、逆スピンホール効果によって電圧に変換されます。この電圧はＰｔへ到達するスピン流の量に比例するため、この電圧はＹＩＧとＰｔの間にあるＣｒ_２Ｏ_３でのスピン流の流れやすさを反映します。

この電圧は、Ｃｒ_２Ｏ_３の反強磁性相転移を挟んで大きく変化することが分かりました（図（ｅ），（ｆ））。これは、Ｃｒ_２Ｏ_３が反強磁性体となることにより、スピン流に対する導体から絶縁体に変わることを示しています。さらに、この相転移の近くで磁場を印加することによって、相転移前後でのスピン流の流れやすさを５００％もの大きさで変化させられることを示しました（図（ｄ））。この大きな変化は、まさにスピン流のオン・オフを外部磁場によって制御できるスイッチに相当します。この現象は、反強磁性体においては、ネールベクトルに平行な角運動量成分を持つスピン流だけが流れることによって生じると理解できます。齊藤教授らは、電流における金属・絶縁体転移における巨大磁気抵抗効果との類似性から、本現象を「巨大スピン磁気抵抗効果」と名付けました。

＜今後の展開＞

本研究成果は、外部磁場によってスピン流の流れやすさを制御できる、すなわちスピン流のスイッチを実現する原理を発見したことになり、それに適切な材料の性質を明らかにしました。本研究は、これまでスピントロニクスに欠けていたスピン流スイッチを見いだしたものとして、さまざまなスピントロニクスデバイスの展開に貢献するものと期待されます。