理化学研究所(理研)、東京大学 物性研究所、日本原子力研究開発機構(JAEA)、東北大学 金属材料研究所は、酸化マグネシウム層を磁石である強磁性体と非磁性体(銀)で挟んだ接合を持つ磁気蓄積素子を作製し、効率よく磁気(スピン)を銀の中に注入・蓄積することに成功、従来の100倍以上の出力電圧(磁気蓄積量)を達成したことを発表した。

これは、理研基幹研究所 量子ナノ磁性研究チームの大谷義近チームリーダー(東京大学物性研究所教授)と福間康裕副チームリーダー、JAEA 先端基礎研究センターの前川禎通センター長、東北大学金属材料研究所の高橋三郎助教との共同研究による成果。同成果は英国の科学雑誌「Nature Materials」(オンライン版)に掲載された。

近年、電子の持つ電荷を用いたエレクトロニクスに加え、スピンの特性を用いたスピントロニクス(スピンエレクトロニクス)の研究が進められている。スピントロニクスの材料は、強い磁気を持つ強磁性体(磁石)で、HDDのヘッドやMRAMなど、一部の製品で、電荷の流れ(電流)とスピンの流れ(スピン流)の両方を利用する形で実用化されている。

また、スピンホール効果や非局所的手法を用いると、スピン流だけを生成することができる。スピンの緩和時間は電荷の緩和時間よりも数桁長いために、スピン流を利用することでエネルギー損失の少ない電子素子の実現が期待できることが期待され、研究グループでも、これまでに、スピン流やスピン蓄積を用いた磁気蓄積素子を開発し、白金ナノ細線が大きなスピンホール伝導率を持つことを発見していた。

しかし、スピンホール効果を用いたスピン流の生成効率は数%程度で、この磁気蓄積素子の出力信号はせいぜい1μV程度であったほか、強磁性体/非磁性体接合を用いた非局所的手法の場合、スピン抵抗の不整合が問題となって、非磁性体中への効率的なスピン注入が困難であった。一方、高抵抗なトンネル接合を用いた非局所的手法では、注入効率は向上できるものの、微小電流しか流すことができないために、やはり少量のスピンしか注入できず、結果として出力信号はせいぜい1μV程度、磁気蓄積量として0.01T程度と小さく、実用化への課題となっていた。

今回、研究グループでは、スピン抵抗の不整合を解消し、スピン注入に最適な接合抵抗を得るために、強磁性体であるパーマロイ(鉄とニッケルの合金)と非磁性体である銀の間に、酸化マグネシウム層を挟んだナノサイズの磁気蓄積素子を作製した。

図1 磁気蓄積素子の概念図と非局所的手法の測定図。強磁性体細線幅は0.14μm、非磁性体細線幅は0.16μmの素子を作製。左上の写真は接合界面の断面透過電子顕微鏡像

一方の強磁性体電極(パーマロイ細線)に電圧を加えて非磁性体(銀の細線)に電流を流すと、スピンを非磁性体中に注入することができる。注入・蓄積したスピンは非磁性体細線に沿って両側に拡散し、左側部分には電流とスピン流の両方が、右側部分にはスピン流だけが現れる。この非磁性体細線中に蓄積しているスピンの量は、もう一方の強磁性体電極を用いて計測することができる。

研究グループは、作製した素子を水素3%、窒素97%の混合ガス中で400℃、40分間の熱処理を施し、酸化マグネシウム膜厚を変えることで接合界面抵抗を制御しながら、スピン注入効率を調べた。その結果、界面抵抗値が0.2Ωμm2程度の酸化マグネシウム層を用いると、強磁性体金属と非磁性体金属のスピン抵抗の不整合が解消され、出力信号が最大値で一定になることが分かった。

図2 磁気蓄積素子の出力信号ΔRS=V/Iの接合界面依存性。界面抵抗RIAの大きさは、酸化マグネシウム層の厚さを変えることで制御した。界面抵抗の増加(酸化マグネシウム膜厚の増加)に伴い、△Rs(出力信号に相当)は増加する。点は実験値、実線は理論解析の結果を示している

この界面抵抗値は一般的なトンネル接合よりも2桁ほど低く、大きな電流を流すことが可能だという。実際に膜厚6.2nm(0.2152Ωμm2)の酸化マグネシウムを用いると、3mAの電流で200μV以上の出力信号を実現したという。

図3 磁気蓄積素子の出力電圧の印加電流依存性。酸化マグネシウムの膜厚6.2nmの素子(RIA=0.2152Ωμm2)に3mAの電流を流し、最高出力電圧225μVを観測

この出力電圧は、磁気蓄積量としては有効磁場換算で2T程度になり、従来の100倍以上の世界最高値となるという。また、銀の細線中のスピンは、同じ非磁性体であるアルミニウムと比較して10倍以上高速で、6μmの距離を拡散できることを観測。これらすべての実験結果は、素子構造を考慮した1次元のスピン拡散伝導モデルを用いた理論値と一致することも確認したという。

図4 ハンル効果を用いたスピン歳差運動の実験概念図と実験結果
上図:測定に利用した素子の走査型電子顕微鏡像。素子に垂直方向の磁場を印加してスピンの歳差運動を引き起こした。銀の細線中にスピンが注入された後、検出側電極まで拡散する間、スピンは外部磁場からトルクを受け歳差運動する。
下図:スピンの向きの磁場依存性。例えば青線の場合、上向きスピンを注入すると、磁場が0では上向きスピンが検出される。磁場の大きさを変えて±0.2Tになると、下向きスピンが検出される。赤線の場合はその逆であるり、検出側電極におけるスピンの回転角度を磁場で制御した

今回の成果により、酸化マグネシウムを用いた磁気蓄積素子で、出力信号の100倍以上の増大に成功したほか、出力信号の理論値と実験結果が一致することを確認、磁気蓄積素子の設計手法が確立されたこととなる。このため、この低抵抗な酸化マグネシウム層を利用して、強磁性材料や素子サイズ、構造などを最適化すると、さらなる出力信号の向上が可能になるという。また、数μm以上の距離をスピンが拡散した現象は、スピン流がエネルギー損失の小さい情報伝達手段として有望なことを示しており、今後、外部信号によるスピンの制御手段を開発することで、スピントランジスタやスピン演算素子などの実現も期待されると研究グループでは説明している。