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

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。

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。