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量子井戸効果を用いたスピン軌道トルクの制御：電流―スピン流変換の新しい自由度

利用量子阱效应控制自旋轨道扭矩：电流-自旋电流转换的新自由度

基本信息

批准号：
21K14523
负责人：
杜野
金额：
$ 3万
依托单位：
National Institutes for Quantum Science and Technology (2022)Tohoku University (2021)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K14523/
关键词：
Spin-orbit torque Quantum confinement Spin current Charge-spin conversion Rashba-Edelstein effect

项目摘要

電流誘起スピン軌道トルク（SOT）は磁性材料の磁化を電気的に制御できることから、磁気抵抗メモリなどへの応用性が期待されている。従来は、重金属を利用して高効率的な電流－スピン流変換率を得ることでSOT素子が作成されてきた。しかし、実用化には、SOT素子の有効的な磁化制御の達成とエネルギー損失の削減が必要となる。本研究は、高伝導率の磁性ヘテロ構造内における量子閉じ込め効果がSOTに与える影響を解明することを目的とする。具体的には、非磁性層/強磁性層ヘテロ構造内の非磁性層フェルミ面に基づいた閉じ込め効果を利用してSOTの強さと符号を制御できるかを検証する。実験は、マグネトロンスパッタ装置で薄膜の厚さを精密にコントロールした上で、フォトリソグラフィーでSOT素子を作成し、ハーモニックホール法でSOTを測定した。その結果、3dヘテロ構造を用いた場合、SOTの強さと符号は非磁性層の厚さに応じて振動的に変化することが観察された。さらに、層間交換結合を反映する薄膜の飽和磁場の非磁性層の厚さによる変化を測定した結果、SOTの振動周期は層間交換結合の振動周期と一致することが分かった。また、波動関数理論でSOTの非磁性層の厚さ依存性を解析して、交換相互作用やRashbaポテンシャルを考慮した非磁性層の量子井戸状態の評価を行った。その結果、非磁性層の厚さに応じてSOT強さと符号の振動を波動関数理論で定性的に説明することができた。今後は、非磁性層のフェルミ波長による定量的な解析を実施していく予定である。

Current induction track (SOT) is the control of magnetization and electric energy of magnetic materials, and the application of magnetic resistance is expected. The use of heavy metals in the past has resulted in a high efficiency of the current-and current-exchange rate. In order to achieve the goal of reducing the loss of SOT elements, it is necessary to reduce the loss of SOT elements. This study aims to clarify the quantum close effect of SOT in magnetic structures with high conductivity. Specifically, the non-magnetic layer/ferromagnetic layer in the structure of the non-magnetic layer in the base layer closed, resulting in the use of SOT strong sign control, such as verification. The thickness of thin films is measured accurately by the method of making SOT elements. As a result, 3d structure is used in the case of SOT, and the sign of SOT is used in the case of nonmagnetic layer vibration. The thickness of the nonmagnetic layer of the thin film reflected by the interlayer exchange bond is measured. The vibration period of the SOT is consistent with that of the interlayer exchange bond. The thickness dependence of the nonmagnetic layer of the SOT is analyzed by the ratio-dependent theory, and the quantum well state of the nonmagnetic layer is evaluated by considering the Rashba interaction. The results show that the thickness of the nonmagnetic layer is higher than that of the SOT. In the future, the quantitative analysis of the non-magnetic layer in terms of wavelength will be carried out in a predetermined manner.