慶大,スピントロニクスデバイス性能を最大化

慶應義塾大学の研究グループは,次世代電子技術として期待されているスピントロニクスデバイスの性能を最大化するための設計指針を明らかにした(ニュースリリース)。

電子は電気的性質「電荷」だけでなく,磁気的性質「スピン」も持っており,電子の電荷に加えてスピンを利用することで,高性能・低消費電力な電子デバイスを実現する新しい電子技術としてスピントロニクスがある。スピントロニクスデバイスの機能を担うのは,磁性体(磁石)の磁化(N極/S極)の電気的な制御である。

最近では,磁化を制御するために,デバイス内のスピン軌道相互作用を利用した手法が注目されており,この作用で生まれるトルク(スピン軌道トルク)を用いることで,高速性と不揮発性を兼ね備えた記憶素子をはじめとする様々なスピントロニクスデバイスの駆動が可能となる。

スピントロニクスデバイスの最も基本的要素となるのは,磁性体と非磁性体の接合素子である。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)を用いることで磁性体中の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実現不可能だった機能を生み出すことや電子デバイスの劇的な省エネルギー化を実現できる。

最近になり,磁性体/非磁性体界面のスピン軌道相互作用を用いることで,スピン軌道トルクを非常に高い効率で生成できることが明らかになってきたが,このスピン軌道トルクの生成効率を最大化する指針は明らかではなかった。

今回の研究では,磁性体と銅で構成されるスピントロニクス素子において,銅の中に酸素を導入することでスピン軌道トルクがどのように変化するかを調べた。この結果,銅の中の酸素量が わずか数%異なるだけの非常に限られた条件で,スピン軌道トルクの生成効率が劇的に増大することが明らかになった。

また,この限られた条件において,界面のスピン軌道相互作用によって現れる他の現象も顕著になることを見出した。界面のスピン軌道相互作用は,界面付近の電子密度分布の非対称性によって現れることが知られている。

今回得られたこの結果は,磁性体/銅界面付近の電子密度分布の非対称性がごく僅かな酸素の導入によって変化したことで現れた現象であり,電子密度分布の精密な制御がスピントロニクスデバイスの性能に大きな影響を与えることを明らかにしたものだという。

今回の研究により,スピントロニクスデバイスの性能を最大限引き出すためには,デバイス内部の電子密度分布に注目した原子レベルでの設計が必要となることが明らかになった。今後,明らかになったこの設計指針に基づき,超高速・低消費電力のスピントロニクスデバイス開発がさらに加速されるとしている。

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