スピン流を高感度に検出する酸化物材料

スピン流を高感度に検出する酸化物材料

－革新的省電力デバイスの実現へ前進－

2013年12月11日

独立行政法人理化学研究所

詳細は、リンクを参照して下さい。

少し前の情報になります。

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　物体の電気抵抗の大きさは、皆さんが

ご存じのように断面積の大きさに反比例し、

長さに比例します。

　太くて短いと電気をよく通し、細くて

長いと通しにくいということになります。

　半導体など電子デバイスは微細化が進み、

線幅は数十ナノメートル（nm）単位の

ところまで来ています。

　しかし、幅が狭くなるほど、問題に

なるのは電気抵抗による発熱の増加です。

　そんな中、注目を浴びているのが

「スピン流」です。

　電子は「電荷」に加え「スピン」という

磁石としての性質を持ちます。

　スピンは地球の自転に似た角運動量

のことです。

　電荷の流れである電流では電気抵抗が

あれば発熱しますが、磁気の流れである

スピン流は電気抵抗による発熱がなく、

省電力デバイスへの応用が期待されて

います。

　しかし、その実現にはスピン流を効率

よく検出する手法の確立が不可欠です。

　白金などの重金属を用いると、電子の

スピンと軌道運動の間で起こる磁気的な

相互作用である「スピン－軌道相互作用」

により、スピン流から生じた電流を電圧

として変換できます。

　ただ、生じた電流を大きな電圧として

取り出すには高い電気抵抗率が必要

ですが、金属の電気抵抗率は1μΩcm

（マイクロオームセンチメートル）程度と

低く、取り出せる電圧は低いものに

留まっていました。

　共同研究グループは、強いスピン－軌道

相互作用と高い電気抵抗率を併せ持つ材料

として、元素周期表の第6周期に属する

遷移元素（5ｄ遷移金属）の酸化物に着目

しました。

　その１つである電気抵抗率200μΩcmの

二酸化イリジウムの結晶を調べたところ、

スピン流から電圧への変換効率が金属の

数十倍に達することを発見しました。

　実験では、二酸化イリジウム薄膜を

細線状に微細加工し、冷却しながら

スピン流の源となる金属の面内スピン

バルブ素子を蒸着によって形成し、良好な

接合界面を持つ素子構造を1μｍ以下の

サイズで作製しました。

　実際に、この界面を通してスピン流を

注入したところ、室温で、スピン流から

電流を生成している証明となる

「逆スピンホール効果」を示しました。

　また、スピン流を電圧として検出する際

の性能指数であるスピンホール抵抗率は、

世界最高クラスの８～37.5μΩcmになる

ことが分りました。

　今回の成果を含む5d遷移金属酸化物の

研究は、その桁違いのスピン－軌道相互

作用が他の材料にはない電子物性や

デバイス機能を創りだすことを実証しつつ

あります。

　スピンの操作を可能とする5d遷移金属

酸化物の省電力スピントロニクスデバイス

材料としての可能性が広がります。

報道発表資料

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　可能性を感じますが、

スピントロニクスなかなか実用段階に

ならないですね。

＞5d遷移金属酸化物という新たなアプローチ

＞の登場により、省電力スピントロニクス

＞デバイスの開発が飛躍的に発展すると

＞考えられます。

＞特に今回の二酸化イリジウムは、

＞不揮発性メモリーや電気化学デバイスの

＞電極など、デバイス応用に適した

＞“筋の良い”遷移金属酸化物材料として

＞幅広く応用されています。

＞本研究がスピン／電気変換機能という

＞新しい側面に光を当てたことで、

＞今後スピントロニクス材料としての展開

＞が期待できます。

　とのこと

　期待しましょう。