Relay runner-like spin transport with electron-hole exchange interaction and its application to magnetologic gates

具有电子-空穴交换相互作用的类中继自旋输运及其在磁门中的应用

基本信息

批准号：
21K18166
负责人：
酒井政道
金额：
$ 16.56万
依托单位：
Saitama University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-07-09 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究は、電子間交換相互作用にもとづくバトンリレー型スピン中継機能をスピントロニクスデバイスに実装することを目指している。電子正孔補償金属（EHCM）としてPtを使った実験を2021年度に着手したが、スピン注入源として、希土類遷移金属フェリ磁性体を使った場合と、NiやFeの場合では、スピン注入由来の逆スピン効果が全く異なる様相で観測された。その原因を明らかにするために、2022年度には、GdFe合金を使って、GdとFeの組成比を連続的に変化させて、スピン注入効果を組成比の関数として調べる研究に着手した。同じくEHCMであるSnを使った研究に着手した。Snは平坦な表面を得るのが困難とされてきた材料である。実際、私たちが電子ビーム蒸着法で成膜した厚さ約300nmの金属相β-Snの表面には約40nmの高低差による凹凸があった。Hall効果測定によるとHall係数は10の－12乗台と云う小さな値の為、Hall電圧の検出が困難であった。これはβ-Snでは電子濃度と正孔濃度が等しいだけでなく、電子移動度と正孔移動度も可成り接近しているのが原因と考えられる。このβ－Snに強磁性体を介してスピン注入する研究は素子製作も含めて現在進行中である。EHCMや半金属などのアンビポーラ伝導体(AMB)と強磁性体（F)との接合構造におけるスピン注入のしくみを理解することを目的として、F/AMB界面に発生するスピン共役電圧に関する理論計算を行った。従来の理論は、強磁性層、非磁性層共にキャリヤが電子の場合に限られていたので、非磁性層のキャリやが正孔のみならず、アンビポーラな場合に拡張した。スピン緩和の主要因が電子－正孔スピン交換相互作用のとき、界面から離れたEHCM領域でも、化学ポテンシャルのスピン分裂が減衰せずにほぼ一定の値で残っていることが分かった。

本研究旨在在自旋电子器件中实现基于电子-电子交换相互作用的接力棒式自旋接力功能。我们在2021年开始了使用Pt作为电子空穴补偿金属（EHCM）的实验，但是当使用稀土过渡金属亚铁磁材料作为自旋注入源时和使用Ni或Fe作为自旋注入源时结果是不同的。以完全不同的方式观察到反向自旋效应。为了弄清楚原因，我们于2022年开始研究使用GdFe合金来连续改变Gd和Fe的成分比，并检查自旋注入效应作为成分比的函数。我们开始使用 Sn 进行研究，它也是一种 EHCM。 Sn是难以获得平坦表面的材料。事实上，我们使用电子束蒸发沉积的厚度约为300 nm的金属相β-Sn的表面由于约40 nm的高度差而存在不平坦。根据霍尔效应测量，霍尔系数很小，为10的-12次方，因此很难检测霍尔电压。这被认为是因为，在β-Sn中，不仅电子浓度和空穴浓度相等，而且电子迁移率和空穴迁移率也非常接近。目前正在进行通过铁磁材料自旋注入 β-Sn 的研究，包括器件制造。为了理解EHCM或类金属等双极导体（AMB）与铁磁材料（F）之间的结结构中的自旋注入机制，我们对F/AMB界面处产生的自旋共轭电压进行了理论计算去了。传统理论仅限于铁磁层和非磁层中的载流子均为电子的情况，因此将其扩展到非磁层中的载流子不仅是空穴而且是双极性的情况。研究发现，当自旋弛豫的主要因素是电子-空穴自旋交换相互作用时，即使在远离界面的EHCM区域，化学势的自旋分裂也不会衰减并保持在接近恒定的值。