量研ら,スピンを自在に操る積層材料を開発

量子科学技術研究開発機構(量研),高エネルギー加速器研究機構,物質・材料研究機構の研究グループは,電子スピンを使った情報処理に重要な,電子スピンの向きを揃える性能とスピンの向きを保つ性能のそれぞれに最も優れるホイスラー合金とグラフェンからなる積層材料の開発に成功した(ニュースリリース)。

近年,次世代の情報技術としてスピントロニクスが注目を集めている。従来のエレクトロニクスでは,電子のある/なしを情報処理に用いるが,スピントロニクスでは,さらに電子のスピンの上向き/下向きをデジタル情報として扱うことで,飛躍的に高速で省エネルギーなデバイスを実現できる。

スピントロニクスデバイスは,スピンの向きを制御した電流を生み出す磁性体とそのような電流を伝える非磁性体を組み合わせることで,スピンの向きを操作して情報処理を行なうため,そのようなデバイスには磁性体と非磁性体を積層した材料が用いられる。

今回,研究グループは,電子スピンの効率的な操作が可能で,高スピン偏極率の電流を低い電気抵抗で流すことができる積層材料を実現するための新しいアプローチとして,磁性体の中で最もスピン偏極率が高いホイスラー合金と非磁性体の中でスピンの伝達能力に最も優れるグラフェンを積層することを考えた。

グラフェンと磁性金属の積層材料は,これまでニッケルやコバルトなど一般的で構造が単純な磁性金属を用いて作製されてきたが,ホイスラー合金のように多種類の元素を含み複雑な構造を持つ金属材料とグラフェンの積層化は世界に例がなかった。

そこで研究グループは,はじめにグラフェンとホイスラー合金薄膜を積層化する作製技術の開発に取り組んだ。試料の酸化を防ぐために超高真空を保ちながら,マグネトロンスパッタリング法と化学気相成長法を用いてホイスラー合金とグラフェンを順次成長する技術を開発した。

試料の作製条件を最適化した結果,ホイスラー合金の一種であるCFGG合金薄膜(組成:Co2FeGe0.5Ga0.5)の表面に厚さが一原子層のグラフェンが完全に覆うように成長した積層材料を作製することに成功した。これにより,世界で初めてグラフェン/ホイスラー合金積層材料を実現し,スピン偏極電流の効率的操作に最適な状態が実現されていることも明らかになった。

この新しい材料により電子スピンの自在な操作が可能になることで,超高記録密度で省エネな磁気メモリの実現など,日常生活の情報化を支える情報技術の発展に新たな道が拓かれることが期待できるとしている。

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