スピンエサキダイオード構造を用いたスピントランジスタの開発

利用自旋Esaki二极管结构开发自旋晶体管

• 批准号: 11J01277
• 负责人: 塩貝 純一
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2011
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2011 至 2013
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-11J01277/
• 关键词: スピントロニクス; (Ga, Mn)As; スピンエサキダイオード; スピン注入; 電気的スピン注入; 強磁性半導体; 動的核スピン偏極; 3端子Hanle効果; 半導体スピントロニクス

スピントランジスタの実現に向け, 強磁性半導体である(Ga, Mn)AsとGaAsの接合であるスピンエサキダイオード構造を用いて, 半導体への高効率スピン注入・検出及びスピン増幅, さらにはスピン注入誘起の核スピン偏極及びそのダイナミクスに関する研究を行った.まず, スピンエサキ接合の電流電圧特性が非線形性を示すことに注目して, 検出電極に定バイアスを印加しながら非局所測定を行う事で, 非線形性が最も大きいところでスピン信号が最大40倍まで増幅できることを実験的に示した. これにより, スピン検出界面に非線形性が強い材料を選択すればよいという設計指針を与えた. これはまた, これまで広く議論されていた, 3端子スピン検出法の増幅起源を明らかにしたものである.前述の非オーミック電極によるスピン信号増幅の知見をスピンエサキダイオード構造におけるトンネル異方性磁気抵抗効果及びトンネル異方性スピン偏極率を調べ, 負性微分抵抗/抵抗比が大きくなるところで後者の効果が支配的になることを明らかにした. この知見は従来のスピンバルブ法以外のスピン蓄積検出の新たな手法を提案するものである.次に, スピンエサキダイオード構造を用いてこれまで確立した高感度スピン検出の技術を元に, 数十ミクロンまで長距離にわたる電子スピンの偏極率を調べ, 電子が感じる核磁場を間接的に磁気抵抗及び核磁気共鳴で測定することにより, 核スピン偏極率の空間分布を評価した. さらに実験結果とシミュレーションを比較することにより, 偏極核スピンがスピン流へ及ぼす影響を明らかにした. とくに, 電子・核スピンの結合の大きさを表すleakage factorが0.3であること, また, この値が電子スピン偏極率に依存性せず, 一定であることを明らかにした.これらの成果は将来のスピントロニクスデバイスを設計する上で重要な知見であり, 研究はおおむね順調に行われた.

为了实现自旋晶体管，我们通过使用旋转的Esaki二极管结构进行了对高效的自旋注射，检测和自旋扩增的研究，以及自旋注入诱导的核自旋极化及其动力学，这是铁电磁半导体（GA，MN）等铁磁半导体（GA，MN）之间的连接。首先，我们专注于表现出非线性的自旋埃塞基连接的电流 - 电压特性，并在实验上证明，通过对检测电极应用恒定偏置进行非局部测量，可以在最高非线性下最大40倍的旋转信号。这给出了设计指南，即应为旋转检测界面选择具有强非线性的材料。这也广泛讨论了。揭示了三端自旋检测方法扩增的起源。通过隧道各向异性磁场效应效应和隧道各向异性自旋极化在旋转甲基二极管结构中研究了使用非欧姆电极对自旋信号扩增的上述发现，而当负面的差异电阻/电阻比增加时，后者的效果在旋转 - 埃萨基二极管结构中占主导地位。这一发现提出了一种新的旋转积累检测方法，而不是传统的自旋阀方法。接下来，基于迄今为止使用Spin-Esaki二极管结构建立的高度敏感的自旋检测技术，我们研究了电子旋转在长达多达几十万微米的长距离内的极化，并通过使用磁场和核磁共振能通过电子磁场来评估核自旋极化的空间分布。此外，通过比较实验结果和模拟，我们评估了核自旋极化的空间分布。阐明了极化核自旋对自旋电流的影响。特别是，代表电子和核自旋之间键的大小的泄漏因子为0.3，该值不依赖于电子自旋极化速率，并且是恒定的。这些结果是未来自旋设备的重要发现，研究通常可以顺利进行。

项目成果

Gate control of magnetic properties in a Pt / Co / Al-O perpendicularly magnetized films

Pt / Co / Al-O 垂直磁化薄膜中磁性能的栅极控制

• 发表时间: 2012
• 作者: J. Shiogai;M. Ciorga;T. Nojima;D. Schuh;M. Kohda;D. Bougeard;D. Weiss;and J. Nitta;Y. Shiota;塩田陽一;塩貝純一;Yoichi Shiota;大橋達郎;ティモシー・ヤン;大橋達郎
• 通讯作者: 大橋達郎

Pt / Co / Al-O垂直磁化膜のゲート電界制御とその温度依存性

Pt/Co/Al-O垂直磁化薄膜的栅极电场控制及其温度依赖性

• 发表时间: 2012
• 作者: J. Shiogai;M. Ciorga;T. Nojima;D. Schuh;M. Kohda;D. Bougeard;D. Weiss;and J. Nitta;Y. Shiota;塩田陽一;塩貝純一;Yoichi Shiota;大橋達郎
• 通讯作者: 大橋達郎

Origin of enhancement of the spin detection sensitivity in a spin Esaki diode structure

自旋江崎二极管结构中自旋检测灵敏度增强的起源

• 发表时间: 2014
• 作者: J. Shiogai;M. Ciorga;T. Nojima;D. Schuh;M. Kohda;D. Bougeard;D. Weiss;and J. Nitta
• 通讯作者: and J. Nitta

Spatial investigation of dynamical nuclear spin polarization in lateral spin injection devices

横向自旋注入装置中动态核自旋极化的空间研究

• 发表时间: 2013
• 作者: J. Shiogai;M. Ciorga;T. Nojima;D. Schuh;M. Kohda;D. Bougeard;D. Weiss;and J. Nitta;Y. Shiota;塩田陽一;塩貝純一
• 通讯作者: 塩貝純一

Electrical Control of Magnetic Properties in Pt/Co/AlO_x films

Pt/Co/AlO_x 薄膜磁性能的电控制

• 发表时间: 2012
• 作者: J. Shiogai;M. Ciorga;T. Nojima;D. Schuh;M. Kohda;D. Bougeard;D. Weiss;and J. Nitta;Y. Shiota;塩田陽一;塩貝純一;Yoichi Shiota;大橋達郎;ティモシー・ヤン
• 通讯作者: ティモシー・ヤン