発表のポイント
- スピントロニクス素子開発では、ハーフメタル材料における電流とスピン流をいかに効率よく変換するかが要となるが、変換機構については理解が進んでいない。
- ハーフメタル材料の一候補；ホイスラー合金薄膜において、薄膜内部と界面のそれぞれに由来する電流-スピン流変換機構があることを初めて発見。
- 電流-スピン流変換の機構解明に繋がる成果。内部と界面を個別に制御することによって、変換効率の飛躍的向上や機能拡張が期待できる。
概要
スピントロニクス素子開発におけるキーマテリアルの一つ、ハーフメタルは、電気伝導を担う電子スピンの向きが100%揃っている（スピン分極している）磁石材料です。ホイスラー合金の一部はハーフメタルになることが理論予測されており、次世代のスピントロニクス材料として期待されています。
今回、東北大学金属材料研究所の温振超特任助教（現 物質・材料研究機構 主任研究員）、関剛斎准教授、窪田崇秀助教、および高梨弘毅教授らの研究グループは、このホイスラー合金における特異な電流-スピン流変換現象（以下、スピン変換と呼ぶ）を観測することに成功しました。
スピントロニクス素子では電流とスピン流（スピン角運動量の流れ）をいかに効率よく変換するかが素子性能を左右します。一方、磁石（強磁性体）の内部（バルク）と界面がどのようにスピン変換に寄与しているかは全く理解されていませんでした。そこで、ホイスラー合金と磁性絶縁体であるY3Fe5O12結晶（以下、YIGと呼ぶ）を接合させ、スピンポンピングという手法を用いて電流-スピン流変換の温度依存性を詳細に調べたところ、検出された電圧信号の符号がある温度を境に反転することを実験的に見出しました。理論計算と比較をしたところ、バルクと界面のそれぞれに由来する機構があることを発見しました。本結果は、強磁性体中でのスピン変換の機構解明に繋がる知見であり、バルクと界面の特性を個別に制御することによって、素子の性能向上や機能拡張が期待できます。
詳細
- プレスリリース本文 [PDF: 899KB]
- Science Advances ウェブサイト [DOI:10.1126/sciadv.aaw9337]
図１ ホイスラー合金の結晶構造の模式図。(a)ハーフホイスラー合金および(b)フルホイスラー合金。