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。

已知在GaAs/AlGaAs量子阱结构中，根据自旋进动发生的晶体方向而发生自旋弛豫的各向异性。这被认为是物质的特征值，因为它源自自旋轨道相互作用，但通过详细检查自旋扩散运动，发现它最多可以被调制六次。在使用InGaAs半导体量子结构的细线结构中，所有固有的自旋轨道相互作用系数（Rashva自旋）我们建立了一种定量评估轨道相互作用和Dresselhaus自旋轨道相互作用的线性项和高阶项的方法。今年，我们进行了数值计算，考虑了电场引起的电子加速和声子散射引起的能量弛豫，并阐明了施加电场对电子温度和自旋动力学增加的影响。这个计算可以系统地解释电场引起的电子微观运动如何影响宏观自旋传播，并且可以系统地解释电场引起的电子微观运动如何影响宏观自旋传播，即获得了电子自旋空间分布对电场的依赖性等应用的重要知识。我们利用铁磁半导体(Ga, Mn)As作为自旋注入源和非磁半导体GaAs作为沟道制作了非局域自旋注入器件，并研究了(Ga, Mn)As/GaAs结界面处的散粒噪声。通过测量大范围的施加电压，我们阐明了每个传导区域中自旋注入现象的物理图：隧道传导、通过间隙能级的传导和扩散传导。今年，在MgO(110)衬底上外延生长的Pt中，我们研究了取决于[001]和[1-10]面内晶体方向的自旋弛豫长度，以及自旋电流的产生效率及其磁化反转结果表明，电流密度不同。我们得到的结果表明，自旋空穴磁阻的温度依赖性是由于 Dyaconohperel 自旋弛豫机制引起的，该机制涉及由界面自旋分离引起的自旋进动，迄今为止在金属中尚未考虑到这一点。此外，通过氧化自旋轨道相互作用较弱的铼，他们成功地产生了比铼大37倍的自旋轨道扭矩。由于自旋轨道扭矩可以有效地实现构成磁性器件基础的磁化反转现象，因此有望应用于自旋电子器件。此外，我们证明了可以通过改变氧化态来控制自旋轨道扭矩产生效率。这是一个重要的结果，表明对于扭矩产生重要的电子态是通过氧化调节的。我们制作了磁耦合重金属薄膜/铁磁薄膜/重金属薄膜/铁磁薄膜人工晶格，并评估了其磁化过程和SOT磁化反转特性，优化了接触MgO绝缘层和各层的膜厚。此外，发现与单个重金属层的情况相比，可以降低磁化反转的临界电流。

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