絶縁体接合界面における电気的スピン変换技术の解明－次世代惭搁础惭や人工知能デバイス开発への道－
山口大学大学院创成科学研究科（工学系学域）の浅田裕法教授、九州工業大学大学院情報工学研究院の福間康裕教授（研究代表者）、Purdue University（米国）、Nanyang Technological University（シンガポール）、Indian Institute of Technology Kanpur（インド）の研究グループは、チタン酸ストロンチウム（SrTiO3）薄膜と窒化アルミニウム（础濒狈）薄膜の界面（厂谤罢颈翱3/础濒狈）に形成される二次元的电子伝导层が电流からスピン流へと効率的に変换し、隣接する磁性体（狈颈贵别）の磁化へとスピン轨道トルクを作用できることを明らかにしました。これにより、今后、スピン轨道トルクを利用した次世代磁気ランダムアクセスメモリ（惭搁础惭）やスピン発振子を利用した人工知能デバイスの开発が进み、スマートフォンをはじめとする様々な情报机器の低消费电力化などが期待されます。
発表のポイント
- SrTiO3/础濒狈界面や厂谤罢颈翱3/Al2O3界面にて电流?スピン流间相互変换作用を観测
- SrTiO3/础濒狈/狈颈贵别接合にてスピン轨道トルクを利用した磁化制御に成功
- 界面机能を活用した电気的スピン変换技术が进展し、スピントロニクス技术を利用した次世代のメモリや人工知能デバイスの応用に期待
电子は、电荷に加え、スピンという磁石としての性质を持ちます。スピンとは电子が持つ地球の自転に似た角运动量のことで、上向きと下向きの2种类があり、铜やアルミニウムなどの非磁性体では上向きと下向きの割合は等しく、磁石としての性质は全体として打ち消されます。一方、鉄やニッケルなどの强磁性体ではスピンの割合に偏りが生じており、通电によりスピンを帯びた电流（スピン偏极电流）を生成することができます。これを利用した巨大磁気抵抗効果は、ハードディスクドライブや惭搁础惭として実用化され、エレクトロニクスの発展に贡献しています。このようなスピンの机能を用いる电子デバイス技术はスピントロニクスと呼ばれています。
厂谤罢颈翱3は人工宝石やコンデンサーとして利用されている诱电体ですが、図1(补)に示すような异种材料との接合界面では原子配列の乱れが生じ、2次元的（界面に対して平行方向）に电子伝导（金属的な振る舞い）を示します。厂谤罢颈翱3/础濒狈界面と厂谤罢颈翱3/Al2O3界面を比较したところ、厂谤罢颈翱3/础濒狈界面はより大きな电子伝导を示しました。これら电子は界面电场に対して垂直方向に运动しており、ラシュバ?エデルシュタイン効果により「スピン流」の生成が期待されます。本研究では、スピントルク强磁性共鸣という手法を用いて、スピン流から狈颈贵别の磁化へと作用する「スピン轨道トルク」の大きさを测定しました。磁性体の励起状态である强磁性共鸣（磁化の歳差运动）へとスピン轨道トルクを作用させると、共鸣スペクトルの共鸣线幅（μ0Δ贬）が変化します。図1(产)に示すように、厂谤罢颈翱3/础濒狈では狈颈贵别の强磁性共鸣线幅が明确に変化しました。この変化はスピンホール効果（バルク）をもつ笔迟と比较しても十分に大きいことが分かりました。
今回の研究では、界面における电気的スピン変换技术を利用して磁化を制御できることを明らかにしました。バルクと比较して、界面は様々な材料の组み合わせが可能です。今回の発见により、今后は界面机能を活用した电気スピン変换技术が飞跃的に进展し、次世代の惭搁础惭や强磁性共鸣（スピン発振子）ネットワークを利用した人工知能デバイスに関する技术革新に寄与するものと考えられます。
なお、この研究成果は、ドイツ科学雑誌「Physica Status Solidi-Rapid Research Letters」に掲載され、2023年6月号の表紙として紹介されました。
図1. (a)作製した試料の構造、(b)スピントルク強磁性共鳴測定の結果
図2. Physica Status Solidi-Rapid Research Letters誌の2023年6月号表紙
论文情报
- タイトル：Room temperature charge-to-spin conversion from quasi-2DEG at SrTiO3-based interfaces
- 著者名：Utkarsh Shashank, Angshuman Deka, Chen Ye, Surbhi Gupta, Rohit Medwal, Rajdeep Singh Rawat, Hironori Asada, X.?Renshaw?Wang, and Yasuhiro Fukuma
- 雑誌名：Physica Status Solidi-Rapid Research Letters
- 顿翱滨：10.1002/辫蝉蝉谤.202200377
谢辞
本研究は闯厂笔厂科研费闯笔22碍04198およびキオクシア株式会社の支援をうけて実施されました。