高温超伝導体原子層デバイスの創製とその応用

電子は電荷とスピンの二つの自由度を持ち、スピンの流れであるスピン流はスピンホール効果により電流と相互変換される。近年、様々な磁性体でスピンホール効果が観測されており、磁気ゆらぎによってスピンホール信号が変調を受けることが報告されている。このことは、スピン流が物質の磁気構造を観測する手法として有効であることを示唆している。筆者らは、前年度までで、スピンがらせん上に配列する特殊な磁性体（らせん磁性体）CrNb3S6を膜厚が数十nmの薄膜に加工し、スピン流-電流変換信号を測定した。その結果、磁気転移温度である130 Kで信号の極大を観測した。また、らせんを1ピッチ未満しか含まない膜厚50 nm以下の薄膜と1ピッチ以上含む膜厚70 nm程度の2種類の素子において面内スピンバルブ測定を行い、膜厚によって異なる磁化反転を観測した。このように、スピン流が磁気ゆらぎと表面磁化を敏感に検出できるプローブであることを示す結果が得られた。本年度は、これらの結果を定量的に評価し、理論的な考察を試みた。まず初めに、非局所スピンバルブ測定を行い、CrNb3S6のスピン拡散長を導出した。すると、スピン緩和の機構が不純物・フォノン散乱によるものが支配的であることを示す結果を得た。次に、得られたスピン拡散長を用いてスピン流-電流変換効率であるスピンホール角を求めた。その結果、CrNb3S6では元々-1%程度であるNbのスピンホール角に重畳する形で、正のスピンゆらぎ信号が加わっていることが示された。さらに、薄膜に含まれるらせんのピッチ数によって磁化反転の仕方が異なる理由について考察を行い、らせん磁性体全体の正味の磁化と表面磁化の競合によって、表面磁化が磁場に対してねじれる可能性を提案した。このように、らせん磁性体の磁気構造について、スピン輸送測定という従来とは異なる手法を用いることで新たな知見が得られている。

電子は電荷とスピンの二つの自由度を持ち、スピンの流れであるスピン流はスピンホール効果により電流と相互変換される。近年、様々な磁性体でスピンホール効果が観測されており、磁気ゆらぎによってスピンホール信号が変調を受けることが報告されている。このことは、スピン流が物質の磁気構造を観測する手法として有効であることを示唆している。筆者らは、前年度までで、スピンがらせん上に配列する特殊な磁性体（らせん磁性体）CrNb3S6を膜厚が数十nmの薄膜に加工し、スピン流-電流変換信号を測定した。その結果、磁気転移温度である130 Kで信号の極大を観測した。また、らせんを1ピッチ未満しか含まない膜厚50 nm以下の薄膜と1ピッチ以上含む膜厚70 nm程度の2種類の素子において面内スピンバルブ測定を行い、膜厚によって異なる磁化反転を観測した。このように、スピン流が磁気ゆらぎと表面磁化を敏感に検出できるプローブであることを示す結果が得られた。本年度は、これらの結果を定量的に評価し、理論的な考察を試みた。まず初めに、非局所スピンバルブ測定を行い、CrNb3S6のスピン拡散長を導出した。すると、スピン緩和の機構が不純物・フォノン散乱によるものが支配的であることを示す結果を得た。次に、得られたスピン拡散長を用いてスピン流-電流変換効率であるスピンホール角を求めた。その結果、CrNb3S6では元々-1%程度であるNbのスピンホール角に重畳する形で、正のスピンゆらぎ信号が加わっていることが示された。さらに、薄膜に含まれるらせんのピッチ数によって磁化反転の仕方が異なる理由について考察を行い、らせん磁性体全体の正味の磁化と表面磁化の競合によって、表面磁化が磁場に対してねじれる可能性を提案した。このように、らせん磁性体の磁気構造について、スピン輸送測定という従来とは異なる手法を用いることで新たな知見が得られている。