ナノ粒子におけるスピン蓄積効果を利用した高スピン分極単電子トンネル素子の開発

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スピンエレクトロニクスの分野において基幹となる物理現象であるスピン注入・スピン蓄積現象の微小磁性体における振る舞いが注目されている。本研究は、強磁性電極から非磁性金属ナノ粒子へスピン偏極電流を注入し、ナノ粒子内で生じるスピン蓄積効果を利用した高スピン分極素子を開発することを目的として行った。本年度はナノ粒子としてAuを選択し、MgOバリア上へのAuナノ粒子成長と、強磁性電極間にMgOバリアを介してAuナノ粒子を配置した微小構造における磁気伝導現象について重点的に調べ、以下の知見を得た。試料構造は、強磁性電極/MgOバリア/Auナノ粒子/MgOバリア/強磁性電極というCPP(Current perpendicular to plane)構造とした。まず、下部強磁性層およびMgOバリア層の成膜条件の適正化により、直径数nmのAuナノ粒子を2次元配列させた構造を得ることに成功した。次に、このような2次元配列Auナノ粒子を用いたCPP構造の作製と、磁気伝導の測定を行った。Auナノ粒子直下のMgOバリア厚さを2.7nm、直上のMgOバリア厚さを1.7nmとしたCPP構造とした場合の4.2Kにおける測定において、電流電圧特性におけるクーロンブロッケイド、また0.1%と小さいながらトンネル磁気抵抗(TMR)を観測することに成功した。クーロンブロッケイドの発現は、ナノ粒子を介した伝導であることを示すことから、測定により得られたTMRはAuナノ粒子におけるスピン蓄積効果によると考えられる。強磁性電極間の漏洩電流を排除した上でTMRを観測した例はこれまでには無く、本研究の成果は非磁性ナノ粒子におけるスピン蓄積効果が本質的に磁気伝導に影響することを示す重要な知見である。