Spin-orbit Engineering

自旋轨道工程

• 批准号: 15H05699
• 负责人: NITTA Junsaku
• 金额: $ 370.91万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Specially Promoted Research
• 财政年份: 2015
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2015 至 2020
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15H05699/
• 关键词: スピン軌道相互作用; スピン軌道トルク; スピンホール効果; スピン緩和機構; スピン干渉デバイス; スピントロニクス; スピン電場操作; スピン生成・制御・検出機能; 永久スピン旋回状態; スピントランジスタ; 永久スピンらせん状態; スピン注入

GaAs/AlGaAs量子井戸構造ではスピン歳差運動が生じる結晶方向に依存しスピン緩和に異方性が生じることが知られていた。これはスピン軌道相互作用に由来するため物質固有値であると考えられてきたが、スピンの拡散運動を詳細に調べることで最大6倍も変調できることを明らかにした。InGaAs半導体量子構造を用いた細線構造において、磁気輸送測定における弱局在現象の面内磁場角度依存性とホール素子における弱反局在のゲート制御から、内在する全てのスピン軌道相互作用係数(ラシュバスピン軌道相互作用とドレッセルハウススピン軌道相互作用の線形項と高次項)を定量的に評価可能な手法を確立した。本年度は電場による電子加速とフォノン散乱によるエネルギー緩和を考慮した数値計算を行い、電場印加による電子温度の上昇とスピンダイナミクスへの影響を明らかにした。本計算によって電場による電子の微視的な運動がマクロなスピン伝搬にどのように影響しているかを系統的に説明することが可能となり、電子スピンの空間分布の電場依存性という応用上重要な知見が得られた。強磁性半導体である(Ga, Mn)Asをスピン注入源、非磁性半導体であるGaAsをチャネルとした非局所スピン注入素子を作製し、(Ga, Mn)As/GaAsの接合界面でのショット雑音を広範囲の印加電圧で測定することにより、トンネル伝導、ギャップ内準位を介した伝導、及び拡散伝導の各伝導領域におけるスピン注入現象の物理的描像を明らかにした。本年度は、MgO(110)基板に成長をしたエピタキシャルPtにおいて[001]および[1-10]面内結晶方向に依存し、スピン緩和長が3倍程度異なるとともにスピン流の生成効率及びその磁化反転電流密度が異なることを明らかにした。スピンホール磁気抵抗の温度依存性は、これまで金属では考慮されてこなかった界面のスピン分離に起因したスピン歳差運動を伴うディヤコノフーペレルスピン緩和機構が働いていることを示唆する結果を得た。またスピン軌道相互作用が弱いレニウムを酸化させる事で、レニウムに比べ37倍も大きなスピン軌道トルクの生成にも成功した。スピン軌道トルクは磁気デバイスの根幹を成す磁化反転現象を効率的に行う事が出来るため、スピントロニクス素子への応用が期待できる。更に酸化状態を変える事でスピン軌道トルク生成効率を制御出来る事を実証した。これは酸化によってトルク生成に重要な電子状態が変調されている事を示唆する重要な成果である。磁気的に結合した重金属薄膜/強磁性薄膜/重金属薄膜/強磁性薄膜人工格子を作製し,その磁化過程とSOT磁化反転特性を評価した. 接触するMgO絶縁層と各層の膜厚を最適化することで垂直磁化膜を得ることができた. また, 磁化反転臨界電流は単層重金属層の場合と比べて低減できることが分かった。

众所周知，在GAAS/ALGAAS量子井结构中，各向异性发生在自旋弛豫中，这取决于旋转进动的晶体方向。这被认为是物质特征值，因为它是从自旋轨道相互作用得出的，但是通过检查旋转的扩散运动，它可以显示出可调节多达六次。在使用INGAAS半导体量子结构的薄电线结构中，一种可以定量评估所有固有的旋转轨道相互作用系数（线性项和刺激性轨道相互作用的线性术语和高阶项和高级术语，以及在磁性运输量和闸门量不足的磁性运输量的磁场依赖性的依赖性范围内的磁场依赖性。今年，考虑了由电场和由声子散射引起的电子加速度以及施加电场对电子温度和自旋动力学升高的影响，进行了数值计算。该计算使我们能够系统地解释电子引起的微观运动如何影响宏自旋传播，并且我们获得了电子旋转空间分布的电场依赖性的重要应用。使用铁电磁半导体（GA，MN）作为自旋注射源和非磁性半导体GAA作为通道制造非本地自旋注射装置，并通过（GA，MN）AS/GAAS在应用程序隔热仪的范围内的镜头隔热仪的隔音隔离式隔音界面的射击界面的射击界面，并测量旋转图像的广泛范围，以置于旋转式隔热现象，以调整旋转式的隔音现象，以调整旋转式插入式现象，以调整旋转的仪表式插入现象。间隙水平和扩散传导。今年，我们透露，自旋松弛长度约为三倍，旋转当前的发电效率和磁化反转电流密度在MGO（110）底物上生长的外部PT不同，这取决于[001]的平面晶体方向，并[1-10]和[1-10]和[1-10]。已经获得了自旋磁极敏感的温度依赖性，以表明二亚克诺霍植物旋转弛豫机制正在起作用，并伴随着界面处的自旋分离引起的自旋进液，这先前尚未被金属考虑。此外，通过氧化rhenium（弱自旋轨道相互作用），我们成功地产生了比rhenium大37倍的自旋轨道扭矩。由于自旋轨道扭矩可以有效地执行构成磁性设备的基础的磁化反演现象，因此可以预期它将应用于Spintronic设备。此外，已经证明可以通过更改氧化状态来控制自旋轨道扭矩的产生效率。这是一个重要的结果，表明氧化调节电子状态，这对于扭矩产生很重要。制造了磁耦合的重金属薄膜/铁磁薄膜/重金属薄膜/铁磁薄膜人造晶格，并评估了磁化过程和SOT磁化倒置性能。通过优化接触MGO绝缘层和每一层的膜厚度，获得了垂直磁化膜。此外，发现与单层重金属层相比，磁化反转的临界电流可以减少。

项目成果

MIT(米国)

麻省理工学院（美国）

Spin current related magnetoresistance in epitaxial Pt/Co bilayers in the presence of spin Hall effect and Rashba-Edelstein effect

• DOI: 10.1103/physrevb.103.094419
• 发表时间: 2021-03
• 期刊: Physical Review B
• 影响因子: 3.7
• 作者: Ye Du;S. Takahashi;J. Nitta

Effect of Drift and Diffusion Induced Spin-orbit Fields on Spin Precession in GaAs Quantum Well

漂移和扩散引起的自旋轨道场对 GaAs 量子阱中自旋进动的影响

• 发表时间: 2018
• 作者: T. Saito;A. Aoki;M. Kohda;J. Nitta
• 通讯作者: J. Nitta

Comparison of spin transport between Ⅲ-Ⅴ compound and Ⅲ-Ⅵ layered semiconduetors

Ⅲ-Ⅴ化合物与Ⅲ-Ⅵ层状半导体自旋输运比较

• 发表时间: 2016
• 作者: S. Iwamoto (Invited);Y. Ota;K. Kuruma;T. Tajiri;S. Takahashi;R. Katsumi;M. Kakuda;K. Watanabe and Y. Arakawa;Kengo Tachihara;J. Nitta
• 通讯作者: J. Nitta

トポロジカル絶縁体積層構造(Bil-xSbx)2Se3/Bi2Se3の電界効果トランジスタにおける両極性動作

拓扑绝缘堆叠结构 (Bil-xSbx)2Se3/Bi2Se3 场效应晶体管的双极行为

• 发表时间: 2018
• 作者: 佐竹遥介;塩貝純一;藤原宏平;塚崎敦
• 通讯作者: 塚崎敦