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東大、磁石のNSの向きを世界最小の電流密度で反転させることに成功

発表日:2020年11月26日

磁石のNSの向きを世界最小の電流密度で反転させることに成功

~強磁性半導体単層薄膜における超高効率スピン軌道トルク磁化反転~

1.発表者:

Miao Jiang(東京大学 大学院工学系研究科電気系工学専攻 特任研究員)

浅原 弘勝(東京大学 大学院工学系研究科電気系工学専攻 博士課程学生)

佐藤 彰一(東京大学 大学院工学系研究科電気系工学専攻 特任研究員)

大矢 忍(東京大学 大学院工学系研究科附属総合研究機構/電気系工学専攻/附属スピントロニクス学術連携研究教育センター 准教授)

田中 雅明(東京大学 大学院工学系研究科電気系工学専攻/附属スピントロニクス学術連携研究教育センター 教授)

2.発表のポイント:

◆強磁性半導体の単層薄膜を用いて、電流を流すことによって生じるスピン軌道トルクという力を利用して、世界最小の電流密度 4.6×10 4A/cm2で磁化反転に成功しました。これは広く行われている金属多層膜におけるスピン軌道トルクによる磁化反転で必要とされる電流密度(約10 7A/cm2)よりも3桁程度小さな値です。

◆従来の金属多層膜におけるスピン軌道トルクによる磁化反転の研究とは異なり、強磁性半導体の単層薄膜に電流を流すだけで、磁化が180°反転します。結晶軸に対する電流の方向と薄膜の膜厚を最適化することにより、磁化反転を阻害しているトルク成分を抑制できることが明らかとなり、それにより磁化反転電流密度を大幅に低減できました。

◆本研究の成果は、磁化反転に必要な電力を低減できる新たな材料開拓や素子構造探索の契機となることが期待されます。

3.発表概要:

東京大学大学院工学系研究科のJiang Miao(姜●)特任研究員(◇)、大矢忍 准教授、田中雅明 教授のグループは、強磁性半導体 GaMnAsの単一薄膜を用いて、電流を流すことにより生じる「スピン軌道トルク」という力を利用して、世界最小の電流密度 4.6×10 4A/cm2で磁化反転に成功しました。

◇「Jiang Miao(姜●)特任研究員」の正式表記は添付の関連資料を参照

現在、強磁性体の電子のスピン自由度(注1)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われています。「スピン軌道トルク」を利用した磁化反転方式は、これらのデバイスにおける次世代のデータの書き込み方式として有望視されています。しかし、従来の研究では、10 7 A/cm2程度の大きな電流密度が磁化反転に必要であり、それが問題となっていました。スピン軌道トルクには、磁化の向きに対して、働く方向の異なる2種類の力が存在していることが知られています。そのうちの片方の成分が磁化反転を阻害する方向に働きます。今回、研究グループは、GaMnAsの薄膜内においてMn濃度の不均一さに起因して電流が不均一に流れており、GaMnAsの膜厚を変えることにより電流により生じる磁場の空間分布が変化することに着目しました。GaMnAs薄膜結晶の面内[110]方向に電流を流し、さらに膜厚を最適化することにより、電流で生じる磁場によって磁化反転を阻害するトルク成分を抑制し、極微小電流密度での磁化反転に成功しました。本研究の成果により、低電力での磁化反転が可能な新たな強磁性材料開拓や素子構造探索が加速することが期待されます。

※以下は添付リリースを参照

リリース本文中の「関連資料」は、こちらのURLからご覧ください。

「Jiang Miao(姜●)特任研究員」の正式表記

https://release.nikkei.co.jp/attach/600738/01_202011261444.pdf

添付リリース

https://release.nikkei.co.jp/attach/600738/02_202011261444.pdf

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