補足説明

【背景と経緯】

近年、微細加工技術の進展によってスピンエレクトロニクス（スピントロニクス注6)）の分野が急速に発展を遂げています。従来の半導体エレクトロニクスでは電子の電荷の部分を利用するのに対して、スピントロニクスでは電荷とスピンの双方を対象としており，その中心となる材料は強い磁気をもつ強磁性体です．一方、超伝導体は電気抵抗がゼロの材料ですが、磁気に弱いという性質を持つと考えられてきたため、超伝導体に磁気(スピン)を注入するスピントロニクスデバイスはこれまで開発されてきませんでした。

１９９９年、本研究グループの前川センター長と高橋助教は、超伝導を直接弱めないように強磁性体と超伝導体の間に薄い絶縁体膜を挿入した二重障壁のトンネル接合デバイス（図1）では、強磁性電極の磁化の向きが反平行のとき、電圧をかけて強磁性体から超伝導体へスピンを注入できること、またスピンは超伝導体中に長時間滞在して大きな抵抗変化（トンネル磁気抵抗効果）を引き起こすことを理論的に予言しました。これらの理論的予測を検証する実験が国内外で行われましたが、トンネル障壁として酸化アルミニウム注4)を用いたため障壁内の原子の乱れや膜厚の不均一性が問題となり、明確な実験的検証が得られていませんでした。

【研究の内容】

今回の研究では、これらの問題を解決するために、超伝導体としてアルミニウム（Al）、強磁性電極としてコバルト鉄（CoFe）、トンネル障壁として酸化マグネシウム（MgO）を用いて、高品質の2重トンネル接合デバイス（CoFe/MgO/Al/ MgO/CoFe）を開発しました（図1）。それぞれの膜の厚さは、CoFe(3.5nm)、Al(4.5nm)、MgO(3〜4nm)、接合面積は700μm×700μm注7)です。Alは絶対温度2.3K以下で超伝導になります。このデバイスの電気的特性を示すトンネルコンダクタンス（電気抵抗の逆数）とそれから得られるトンネル磁気抵抗の変化率（TMR）を精密に測定したところ（図２ａ、ｂ）、低温では理論的に予測されていたトンネル磁気抵抗の大きな振動的な振る舞いが明瞭に観測されました。これは、磁化が反平行のとき、注入されたスピンが長時間にわたって安定に保たれていることを示しています。従来、超伝導と磁気（スピン）は相容れない、と考えられてきましたが、超伝導状態に注入されたスピンは安定に存在し続けられることを明らかにしたもので、従来の考えを修正し、スピンの新しい応用の可能性を示すものです。

【本研究のインパクト】

今回の高品質の二重接合トンネルデバイスの開発により、超伝導状態にスピンを注入することに初めて成功しました。また、この磁気状態は常伝導状態に比べて100万倍も安定であることも明らかになりました。この発見は、超伝導体中でのスピンが量子コンピュータの必須要素である量子ビット注8)の有力な候補になることを示しています。本研究は、量子計算デバイスに用いる新しいタイプの量子ビットや量子情報技術の開発につながるものと期待されます。

本研究における実験は、ＩＢＭアルマデン研究所においてStuart Parkin博士、Hyunsoo Yang博士とSee-Hun Yang博士によって行われたものです。実験結果の説明と理論的検討は、高橋三郎助教、前川禎通センター長およびＩＢＭの研究チームとの共同で行われました。

本研究の一部は、文部科学省科学研究費補助金（基盤研究Ａ No.19204035、特定領域研究 No.19048009）、科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業 CREST「次世代エレクトロニクスデバイスの創出に資する革新材料・プロセス研究」、次世代ナノ統合シミュレーションソフトウェアの研究開発の助成を受けて行われました。Parkin博士が率いるＩＢＭの研究チームはDMEA (Defense Microelectronics Activity)からスピントロニクスデバイスの研究開発の支援を受けました。

【参考図】

図１　二重トンネル接合デバイスの概念図（左図）。今回、作成した二重トンネル接合デバイスの構造（右図）。

図２　今回作成した二重トンネル接合における電気抵抗の逆数（左図）とトンネル磁気抵抗(TMR)変化率（右図）のバイアス電圧依存性。

【用語解説】

1)スピン
電子がもつ自転のような性質で、電子スピンは磁気（微小な磁石）を帯びています。スピンには上向きスピンと下向きスピンの二つの状態があります。
2)トンネル接合
金属電極/絶縁体膜/金属電極の３層構造からなる接合デバイス。絶縁体膜の厚さは１ナノメートル程度と非常に薄いので、電子が絶縁体膜の障壁をすり抜けるトンネル現象によって伝導することができます。
3)トンネル磁気抵抗効果
強磁性トンネル接合素子の２つの強磁性電極の磁化の相対的な向きが平行な場合と反平行な場合で、素子の電気抵抗が変化します。この現象をトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）といい、このときの電気抵抗が変化する割合を百分率で表したものを磁気抵抗率と呼びます。数10％〜数100％の大きな磁気抵抗変化を示し、磁気センサーや不揮発性メモリに応用されます。
4)酸化マグネシウム、酸化アルミニウム
強磁性トンネル接合のトンネル障壁には、酸化マグネシウム（MgO）や酸化アルミニウム（Al2O3）が多く用いられます。酸化マグネシウム（MgO）は、原子が規則的に配列した結晶の性質を持ちます。一方の酸化アルミニウムは、原子配列が不規則なアモルファス物質であります。
5)量子コンピュータ
量子力学の基本原理（量子状態の重ね合わせの原理）を利用して大規模計算を超高速・並列処理を行なう量子コンピュータは、従来のコンピュータをはるかにしのぐ性能を有します。電子スピンを利用した量子コンピュータはその有力候補の１つです。
6)スピントロニクス
電子スピンの持つ情報を積極的に利用することで、従来のエレクトロニクスを超える機能を持ったデバイスの創出を目指す新しいエレクトロニクスのことです。
7)ナノメートル（nm）、マイクロメートル（μm）
１ナノメートル（nm）は10億分の１メートル。１マイクロメートル（μm）は100万分の１メートル。
8)量子ビット
量子コンピュータを構成する記憶素子の最小単位。従来のコンピュータの1ビット（0または１）に対して、量子ビットでは二つの量子力学的状態（例えば、上向スピンと下向スピン）の任意の重ね合わせ状態（傾いたスピン）を表すことができます。量子ビットの候補として電子スピン・核スピン・ジョセフソン効果・光子などさまざまな候補が提案されています。

【論文名・著者名】

“Extremely long quasiparticle spinlifetimes in superconducting aluminum using MgO tunnel spin injectors”
（MgOトンネルスピン注入素子を用いた超伝導アルミニウムにおける極度に長い準粒子スピン寿命）
Hyunsoo Yang, See-Hun Yang, Saburo Takahashi, Sadamichi Maekawa and Stuart S. P. Parkin

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