ナノ磁性金属スピンフィルターによる半導体スピンプローブ

半導体中の電子スピンを検出する方法として、従来光学的手法が用いられてきたが、本研究では、スピンエレクトロニクスデバイスへ実装することを念頭におき、より現実的なスピン検出法として、スピンフィルター効果を利用する手法の実現可能性について検討することを目的とする。具体的には、直接遷移半導体GaAs中に励起したスピン偏極電子がFe細線に流入するときに、Fe細線のフェルミエネルギーにおけるスピン依存状態密度により、電気伝導度が電子のスピンに依存する性質を利用して、光電流のスピン依存性に基づいて検討する。A10x絶縁障壁を介したFe細線とGaAs基板との接合試料を、電子線リソグラフィーおよび超高真空蒸着法により作成した。作成した試料に対して膜面に垂直に波長865nmの円偏光を照射し、GaAs中にスピン偏極電子を励起する。励起電子のスピン方向とFeの磁気モーメントの方向との相対関係を光弾性変調器を用いて変化させることで、励起電子のスピンに依存する電気伝導度を計測した。計測したスピン依存光電流は200K付近に特徴的な構造を示し、一方で、無偏光を照射して計測したスピン依存しない光電流は200K付近にプラトーを示した。これらの結果に基づいて、Fe細線によるスピンフィルター効率を求めると、200K付近で極大を取ることが明らかとなった。スピンに依存しない光電流が200K付近でプラトーを示すことから、このスピンフィルター効率の極大はA10x層を介したスピン依存トンネル効果に起因するものであると推察される。しかしながら、スピンフィルター効率は高々2%程度であり、更なる効率の向上には接合界面のより精密な制御が必要であると考えられる。

半導体中の電子スピンを検出する方法として、従来光学的手法が用いられてきたが、本研究では、スピンエレクトロニクスデバイスへ実装することを念頭におき、より現実的なスピン検出法として、スピンフィルター効果を利用する手法の実現可能性について検討することを目的とする。具体的には、直接遷移半導体GaAs中に励起したスピン偏極電子がFe細線に流入するときに、Fe細線のフェルミエネルギーにおけるスピン依存状態密度により、電気伝導度が電子のスピンに依存する性質を利用して、光電流のスピン依存性に基づいて検討する。A10x絶縁障壁を介したFe細線とGaAs基板との接合試料を、電子線リソグラフィーおよび超高真空蒸着法により作成した。作成した試料に対して膜面に垂直に波長865nmの円偏光を照射し、GaAs中にスピン偏極電子を励起する。励起電子のスピン方向とFeの磁気モーメントの方向との相対関係を光弾性変調器を用いて変化させることで、励起電子のスピンに依存する電気伝導度を計測した。計測したスピン依存光電流は200K付近に特徴的な構造を示し、一方で、無偏光を照射して計測したスピン依存しない光電流は200K付近にプラトーを示した。これらの結果に基づいて、Fe細線によるスピンフィルター効率を求めると、200K付近で極大を取ることが明らかとなった。スピンに依存しない光電流が200K付近でプラトーを示すことから、このスピンフィルター効率の極大はA10x層を介したスピン依存トンネル効果に起因するものであると推察される。しかしながら、スピンフィルター効率は高々2%程度であり、更なる効率の向上には接合界面のより精密な制御が必要であると考えられる。