慶大,磁気の流れによる磁気抵抗効果を発見

慶應義塾大学の研究グループは,界面における電流-スピン蓄積相互変換現象により発現する新しい磁気抵抗効果を発見した(ニュースリリース)。

物質に磁界を加えると電気抵抗が変化する磁気抵抗効果は,固体中の電子の有する電荷(電気的)自由度とスピン(磁気的)自由度が強く結合した現象であり,スピントロニクスにおいて盛んに研究されてきた。

これまで知られている磁気抵抗効果では,物質内部の磁気の流れ「スピン流」の生成やスピン軌道相互作用を利用しており,物質界面におけるスピン流生成およびスピン軌道相互作用は注目されていなかった。今回,物質界面のスピン流によって発現する新しい磁気抵抗効果(ラシュバ・エデルシュタイン磁気抵抗効果)を発見し,実験的に実証した。

実験は,ビスマス/銀/強磁性体積層構造を作成し,磁気抵抗効果の精密測定を行なった。ビスマス/銀界面では大きなラシュバ・エデルシュタイン効果を示すことが知られており,電流を印加すると界面にスピン蓄積が形成される。一般的に濃度勾配があれば拡散流が流れるが,スピンの濃度 勾配(スピン蓄積)があれば,拡散スピン流が流れることになる。このようにして駆動される拡散スピン流は強磁性体層まで到達する。

強磁性体層に到達した拡散スピン流の分極方向が強磁性体の磁極の向きと平行な場合,スピン流は反射され,ビスマス/銀界面へと戻される。ビスマス/銀界面に戻ったスピン流はラシュバ・エデルシュタイン効果の逆過程「逆ラシュバ・エデルシュタイン効果」により電流を生じる。このため,見かけの電気抵抗値は下がることになる。

一方、拡散スピン流の分極方向が強磁性体の磁極の向きと直交する場合、スピン流は強磁性体に吸収されることになる。この場合,ビスマス/銀界面に戻る拡散スピン流量は減少する。そのため,逆ラシュバ・エデルシュタイン効果により生成される電流も小さくなり,見かけの電気抵抗値が増大する。研究では,このようなラシュバ・エデルシュタイン効果を介した新しい磁気抵抗効果「ラシュバ・エデルシュタイン磁気抵抗効果」の存在を初めて実証した。

この研究成果により,物質界面における電流-スピン蓄積変換現象が比較的簡便な電気抵抗測定により検出可能であることが分かった。これは現在世界規模で研究が進められている物質表面・界面におけるスピン流生成・検出手法に関する研究を加速させるものであり,今後,省エネルギースピントロニクスデバイスの研究を大きく推進させることが期待されるものだとしている。

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