JSTと東北大、スピン流スイッチの動作原理を発見――エレクトロニクスの次、高速・省電力デバイス開発のカギとなる「スピントロニクス」発展の一助に

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左:実験セットアップ。右:作製された層構造の電子顕微鏡写真

科学技術振興機構(JST)と東北大学は2018年5月29日、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・実証したと発表した。

高速な不揮発メモリーや超高密度なハードディスクなど、次世代情報処理技術「スピントロニクス」を使ったデバイスの研究が進んでいる。電子の流れである電流を利用する“エレクトロニクス”に対して、“スピントロニクス”は電子の持つ電荷とスピンの両方を利用する。電子スピンの流れ(スピン流)を利用した素子は電流に伴うエネルギーロスが少なく、より高速・省電力なデバイスを開発できるようになると見込まれている。

しかし、電流の流れのオン・オフをトランジスタで制御しているのに対して、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まだ確立されていない。スピントロニクス採用デバイスの実用化に向けた課題の1つとなっていた。

そんな中、JSTと東北大学の研究チームは今回の研究において、反強磁性体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と実証した。

スピン流の素子の構造としては、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(Cr2O3)を挟み込んだ。YIGからPtへとスピン流を注入すると、Cr2O3でのスピン流の流れやすさに応じて、Ptに起電力が発生する仕組みだ。

研究チームは、この起電力測定を通じて、反強磁性相転移によって、スピン流に対してCr2O3が導体から絶縁体へと変わることを確認した。さらに、この相転移の近くで磁場を加えると、相転移前後のスピン流の流れやすさが最大500%もの大きさで変化したと報告している。

実験結果から求められたスピン流の流れやすさの磁場依存性。信号が急激に変化する温度域において、外部磁場によってスピン流の流れやすさが相転移の前後で最大500%も変化している。

今回、外部磁場によってスピン流の流れやすさを制御できたことで、スピン流スイッチを実現する原理を発見したことになる。これにより今後、さまざまなスピントロニクスデバイスを研究開発する一助になるのではないかと期待している。

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