ナノ狭窄電子系におけるスピンダイナミックスとマイクロ波発信に関する研究

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本研究の目的は,積層磁性膜素子中に複数のナノメーターオーダーの導電チャネルを有する極薄の酸化物絶縁体層(NOL : Nano-Oxide-Layer)を挿入し,電流狭窄や狭窄磁壁などの狭窄効果を用いることにより,高出力でかつ周波数の調律が可能な低消費電力型の新規なマイクロ波発信デバイスの開発を行うことにある.平成21年度は強磁性接点磁気抵抗(NCMR)素子のマイクロ波発振特性を測定し、そのスピンダイナミクスの解明を試みた。ここで、NCMR素子とは、強磁性接点を有するNOLが挿入されたスピンバルブ素子であり、2つの強磁性層の磁化を反平行にすることでナノ接点中に磁壁が狭窄され、磁気抵抗が発現することが示唆されている。マイクロ波発振特性の面内印加磁場角度依存性を調べた結果、強磁性層磁化の相対角度が140度近傍でのみ強くシャープな発振が観測された。この結果は、強磁性ナノ接点に狭窄された磁壁の運動をNeel磁壁とBloch磁壁間の状態変化の時間展開から理論的に予測したシミュレーション結果と定性的に一致しており、強磁性ナノ接点中の狭窄磁壁の存在を示唆するものである。さらに、発振周波数が強磁性層の強磁性共鳴周波数に一致していること、及び不均一系において最小8MHzの低線幅の発振ピークが観測されていたことから、スピン波伝搬を考慮した、発振源を狭窄磁壁とするNCMR素子特有の発振機構モデルを構築した。また、インピーダンスマッチングの改善、磁気抵抗変化率の向上、及び素子の直並列接続によるマイクロ波電流励起型位相同期により、現状0.1nW程度である出力が3μWにまで上昇させることが可能であることを見出し、NCMR素子が超小型マイクロ波発振器として実用検討が可能であることを示した。