スピン流を用いて磁気の揺らぎを高感度に検出することに成功 ―スピン流を用いた高感度磁気センサへ道― |日本原子力研究開発機構:プレス発表

発表内容:

①研究の背景と経緯

電子は電荷とスピンという2つの属性を持ちます。前者は電気素子として、後者は磁気の起源となるため磁気素子としてそれぞれ個別の分野で古くから研究・利用されてきました。近年の微細加工技術の発展に伴って、これら2つの性質を積極的に組み合わせることにより、従来のエレクトロニクス素子を凌駕するデバイスの実現が可能となってきました。このような分野はスピントロニクスと呼ばれ、この分野での代表的な成功例が、ハードディスクドライブの磁気ヘッドや磁気ランダムアクセスメモリであり、これらの起源となる巨大磁気抵抗効果の発見に対して、2007年にはノーベル物理学賞が与えられています。

次世代スピントロニクス素子の実現において、極めて重要な物理量がスピン流と呼ばれる量です。電流は電荷の流れであり、これまでの電気素子では電流が全ての情報を運びますが、スピントロニクスではスピン流と呼ばれるスピンの流れが情報を運びます。その中でも電荷の流れを伴わないスピンのみの流れを「純スピン流」と呼びます(図1)。この純スピン流は電荷の流れを伴わないために、通常のエレクトロニクス素子で生じる発熱を抑えることができ、次世代低消費電力デバイスとして近年非常に注目を集めています。

②研究の内容

本研究ではこの純スピン流を、磁気の乱れた「スピングラス」と呼ばれる状態に注入しました。スピングラスとは、図2に示す通り、磁気モーメント(注1)をもつ磁性不純物(鉄やマンガンなど)が非磁性体金属(金や銅など)にランダムに混入した場合、不純物の磁気モーメントが温度ゼロの極限でも一様な磁化状態(例えば磁気モーメントが全て平行に揃う強磁性体相、もしくは反平行になる反強磁性体相)を持たず、乱雑なまま固化した状態のことを言います(ちょうどガラス転移のようにバラバラな配列のままで固定されているのでスピングラスと呼ばれます)。また磁気モーメントが固化し始める典型的な温度は、スピングラス温度Tgと呼ばれます。通常、Tgは超伝導量子干渉素子(SQUID、注2)を用いた磁化測定で決定され、Tg以下では、乱雑に固化した磁化の影響で、磁化の減少が始まります(図3(b))。

このようなスピングラスを示す物質に純スピン流を注入すると、スピングラス温度Tgよりも高温から磁気モーメントの揺らぎに起因して信号に変化が現れました。スピン軌道相互作用の強い非磁性体に純スピン流を注入すると、逆スピンホール効果(注3)によって、電気信号に変換されます。本研究では、単体で逆スピンホール効果を示さない銅にビスマスを添加すると、ビスマスのスピン軌道相互作用が強いことから、大きな逆スピンホール効果の信号が検出できることを利用しました。さらにそこに磁気モーメントをもつマンガンを添加することで、スピングラス状態を作り出すことができます。図3(a)に示す通り、マンガンを含まない場合、逆スピンホール効果の値は低温で一定となったのに対し、マンガンを含む場合、スピングラス温度(Tg = 10 K)よりも高い温度(T* = 40 K)から逆スピンホール効果の信号が減少し始めることが分かりました。

理論計算と比較すると、マンガン不純物の磁気モーメントがランダムに固化するよりも高い温度からマンガンの磁気モーメントは揺らいでおり、その揺らぎによって、純スピン流から変換された電流を担う伝導電子のスピンの向きがランダムになり、その結果として逆スピンホール効果の信号が減少することが分かりました(図4)。

③今後の展開

本研究で得られた原理を用いれば、SQUIDよりも高感度に磁気の揺らぎを捉えられるセンサとして用いることができると期待されます。また温度ゼロの極限まで秩序状態を持たないスピン液体と呼ばれる、詳細が未解明な状態に対して純スピン流を注入することで、これまでの磁化測定や比熱測定などでは分からなかった情報を引き出せると期待されます。

発表雑誌:

雑誌名:「Physical Review Letters 」(11月6日)
論文タイトル: Strong Suppression of the Spin Hall Effect in the Spin Glass State
著者:Y. Niimi, M. Kimata, Y. Omori, B. Gu, T. Ziman, S. Maekawa, A. Fert, and Y. Otani


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