酸化物界面を用いた高効率スピン流電流変換の実証とスピントロニクスデバイスの創出

演示使用氧化物界面的高效自旋电流转换和自旋电子器件的创建

基本信息

批准号：
22KJ0615
负责人：
高田真悟
金额：
$ 1.98万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、ペロブスカイト酸化物界面の二次元電子ガスを用いたスピン流-電流相互変換の物理現象開拓と超低消費電力動作可能なメモリの実現を目指す。本年度は、高効率なスピン流-電流変換を実現するための材料設計指針を確立した。さらに、メモリ動作に向けて、強磁性ペロブスカイト酸化物であるSrRuO3に着目し、分子線エピタキシー法を用いてSrTiO3基板上に作製を行った。電気伝導評価から、最高品質クラスのSrRuO3薄膜の作製に成功した。我々は高磁場を印加することで、電気伝導の量子振動や正の線形磁気抵抗効果が観測し、ワイルフェルミオンによる伝導と結論付けた。磁場の印加角度を変え、量子振動が印加角度に応じてシフトしていく結果が得られた。これは二次元伝導の特徴的な結果であり、SrRuO3のワイルフェルミオンにおけるフェルミアーク由来と考えられる。さらに、膜厚依存性を調べることで、量子振動の位相が変化する現象を観測し、フェルミアークの理論と一致することが確認できた。また、意図的にRuを欠損させたSrRuO3薄膜を作製し、膜厚依存性を調べることで、スキルミオンによるトポロジカルホール効果の探索を行った。磁気伝導現象を測定することで、Ruが欠損した極薄膜でのみしかトポロジカルホール効果が表れないことが分かった。世界最高品質のSrRuO3の膜厚依存性と比較することで、Ruが欠損したSrRuO3極薄膜で現れるトポロジカルホール効果は、スキルミオン由来ではなく複数のドメインによる異常ホール効果の重ね合わせで説明できることが分かった。

在这项研究中，我们的目标是利用钙钛矿氧化物界面上的二维电子气开发自旋电流相互转换的物理现象，并实现可以超低功耗运行的存储器。今年，我们制定了材料设计指南，以实现高效的自旋电流到电流的转换。此外，对于存储器操作，我们专注于 SrRuO3（一种铁磁钙钛矿氧化物），并使用分子束外延将其制造在 SrTiO3 基板上。根据电导率评估，我们成功生产出最高质量等级的 SrRuO3 薄膜。通过施加高磁场，我们观察到了导电中的量子振荡和正线性磁阻效应，并得出结论，这种传导是由韦尔费米子引起的。通过改变磁场的施加角度，结果表明量子振荡根据施加角度而变化。这是二维传导的特征结果，被认为源自 SrRuO3 的外尔费米子中的费米弧。此外，通过研究膜厚依赖性，我们观察到了量子振动的相位变化的现象，并确认了这与费米弧理论一致。此外，我们通过制造带有故意Ru缺陷的SrRuO3薄膜并检查薄膜厚度依赖性，研究了斯格明子引起的拓扑空穴效应。通过测量磁传导现象，我们发现拓扑霍尔效应仅出现在具有Ru缺陷的超薄膜中。通过比较世界最高质量的SrRuO3的膜厚依赖性，我们发现缺Ru的SrRuO3超薄膜中出现的拓扑霍尔效应不能用斯格明子来解释，而是可以用多个Ta引起的反常霍尔效应的叠加来解释。