慶大ら,スピントロニクス素子を絶縁体で制御

慶應義塾大学と東北大学は共同で,次世代の電子技術として期待されているスピントロニクス素子を,絶縁体により動作させる新原理を明らかにした(ニュースリリース)。

現代のエレクトロニクスは,電子の電気的性質(電荷)に加え,磁気的性質(スピン)を利用するスピントロニクス技術によって飛躍的な発展を遂げてきた。スピントロニクス素子では,磁性体と金属の接合素子が最も基本的要素となる。このような素子に電流を流すことで現れるトルク(スピン軌道トルク)を用いることで磁化を自在に制御することが可能となり,電荷と電流だけでは不可能だった機能の実現や劇的な省エネルギー化が実現される。

しかし,スピン軌道トルクを生成するためには,磁性体に接合された金属に電流を流す必要があるというのがこれまでの常識だった。このような素子では,流れた電流によるエネルギー損失を避けることが出来ないため,絶縁性の物質を用いたスピン軌道トルクの生成原理が求められてきたが,これまでこれを可能とするのは,近年見出されたトポロジカル絶縁体を利用するという方法だけだった。

今回の研究では,金属である白金を酸化させ,絶縁体となった白金酸化物上にコバルト・テルビウム合金(磁性体)を成膜した試料において,電流によって磁化の向きを制御できることを明らかにした。

そこで,酸化度を制御した白金酸化物を作製し,これにより生成されるスピン軌道トルクを測定したところ,電流が流れないほど酸化させた白金においても,磁性体との界面におけるスピン軌道相互作用によって巨大なスピン軌道トルクが生成されることが明らかになった。さらに,外部から電場によって白金酸化物内部の酸素を動かすことで,スピン軌道トルクの大きさを制御することに成功した。

今回初めて明らかになった金属酸化物絶縁体によるスピントロニクス素子の駆動効率は,現在世界中で研究が進められているトポロジカル絶縁体に匹敵することが明らかとなった。今後,トポロジカル絶縁体に続く第2の絶縁性スピントロニクス物質として,省エネルギースピントロニクス素子に関する研究の展開が期待されるとしている。

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