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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~

 東北大学と国立研究開発法人 科学技術振興機構(JST)は2018年5月29日,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,Zhiyong Qiu 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)らが,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・実証したことを発表した.本研究成果は,英国科学誌Nature Materialsのオンライン版で公開された(注).

 スピン流は電子スピンの流れであるが,電流を伴う必要はなく,絶縁体である磁性体中も伝搬することができる.ただ,従来の電気回路では磁性体中にスピン流を生成し,これを検出することはできなかった.しかしながら,近年逆スピンホール効果(スピン流の方向と,流れているスピンの向きに垂直な方向に電圧 が生じる現象)やスピンゼーベック効果(磁性体に温度勾配を加えると,温度勾配の方向にスピン流が生じる現象)といった新現象が発見され,これを利用することで,スピン流を用いた素子の開発が可能になってきた.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の実現が期待されるわけで,純粋にスピン流のみを利用した情報処理技術の研究も進められている.しかし問題は,スピンの流れを制御するスピン流スイッチを実現する手段がないことであった.エレクトロニクスの発展のカギとなったトランジスタは電荷の流れをオン・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,今日の情報化社会の進化に繋がった.スピントロニクスが情報化社会に寄与するためのカギとして,スピンの流れを制御するスピン流スイッチを実現する手段の創出が強く望まれていた.

 この研究では,反強磁性体である酸化クロム(Cr2O3)が相転移に伴う巨大スピン磁気抵抗効果を示すことを発見し,これを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)の間に挟んだ構造で,スピン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た.

 この構造で,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発生するスピン流をCr2O3を介してPtへ向けて注入させ,このスピン流が逆スピンホール効果によって変換された電圧を測定した.ここで,電圧の変化はCr2O3のスピン流の流れやすさの変化を表現していることになる.通常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方向を向いており磁化は発現せずスピン流にとって抵抗となる.Ptの電圧の温度依存性を測定したところ,Cr2O3の反強磁性の相転移が起こる300K付近で大きく変化し抵抗が下がることが分かった.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の流れやすさを500%もの大きさで変化させられることが分かった.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する.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」と名付けた.外部磁場によってスピンの流れやすさを制御できるスピン流のスイッチ,即ち,スピントロニクスのトランジスタ実現に繋がる原理を発見したことになるとしている.

(注) Zhiyong Qiu, Dazhi Hou, Joseph Barker, Kei Yamamoto, Olena Gomonay, and Eiji Saitoh, "Spin Colossal Magnetoresisntance", Nature Materials (2018), DOI: 10.1038/s41563-018-0087-4; Published: 28 May 2018.