東大ら,酸化物で最高効率のスピン流電流変換実現

東京大学,高エネルギー加速器研究機構(KEK),東北大学は,強相関電子系酸化物LaTiO3と酸化物SrTiO3基板との界面に形成される2次元電子ガスに純スピン流を注入し,世界最大効率のスピン流電流変換を実現することに成功した(ニュースリリース)。

近年,強磁性体の電子のスピン自由度を用いて新たな省エネルギーデバイスを実現する試みが盛んに行なわれている。現在,強磁性体を用いた磁気抵抗メモリなどが商用化され始めているが,強磁性体の磁化反転に比較的大きな電力が必要で,将来の新しい磁化反転方式が模索されている。

その中で,スピン流と電流の相互変換現象を利用することによる磁化反転の効率化が期待されている。特に,物質の界面では相対論効果によるスピン軌道相互作用が強く,それによりスピン流と電流を高効率に相互変換できると期待されている。

その有力な候補として,酸化物同士の界面に形成される2次元電子ガスが注目されている。絶縁体酸化物基板として広く利用されているSrTiO3の上に,絶縁体のLaAlO3薄膜を製膜すると,界面に2次元的に電子が蓄積する。

今まで,この2次元電子ガスを用いると非常に高効率にスピン流を電流に変換できることが示されてきた。しかし,この界面にスピン流を注入する際には,絶縁体であるLaAlO3を介してスピン流を注入する必要があり,そこでスピン流が減衰してしまうことが問題だった。

今回,研究グループは,LaAlO3の代わりに,金属状態の強相関電子系酸化物LaTiO3を用いた。LaTiO3は,強相関電子系として知られる材料の一つであり,もともとは絶縁体だが,SrTiO3基板の上に製膜すると歪みや基板からの酸素の拡散により,金属状態となる。

研究グループは,分子線エピタキシーと呼ばれる手法を用いて,1原子層ごとに結晶成長を行なって高品質のLaTiO3/SrTiO3の単結晶界面を作製し,スピン流が流れる際のスピン散乱を大幅に抑制した。

その結果,これまでに報告された最大値と比べて3倍以上の大きなスピン流電流変換を実現することに成功した。また,共鳴角度分解光電子分光法を用いてLaTiO3/SrTiO3界面に形成された2次元電子ガスのTi3d軌道由来の電子構造を観測し,その結果に基づいて理論計算を行なうことで,スピン流電流変換効率の温度依存性を理論的に説明することに成功した。

この結果は,高品質の単結晶界面や強相関電子材料を利用することにより,高効率のスピン流電流変換が実現できることを示す。研究グループは,次世代の磁性を用いた不揮発性メモリの実現に向けた,より高効率の磁化反転技術の実現に結びつくものだとしている。

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