JP2012049403A - 電流−スピン流変換素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】スピンホール効果または逆スピンホール効果を利用して電流とスピン流の間の変換を行う電流−スピン流変換素子であって、変換効率の高い電流−スピン流変換素子及び該素子を用いた装置を提供する。
【解決手段】本発明の電流−スピン流変換素子は、５ｄ遷移金属酸化物のスピンホール効果または逆スピンホール効果を利用して電流とスピン流の間の変換を行う。また、本発明のスピン蓄積装置は、注入されるスピンを蓄積する非磁性体と、前記非磁性体内にスピンを注入する注入手段と、を有するスピン蓄積装置であって、前記注入手段は、前記非磁性体上に設けられた、請求項１または２に記載の電流−スピン流変換素子と、前記電流−スピン流変換素子に、スピンホール効果によって前記非磁性体に向かうスピン流が生成されるように、電流を流す電源と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スピンホール効果または逆スピンホール効果を利用して電流とスピン流の間の変換を行う電流−スピン流変換素子に関する。
電子のスピンを利用した高機能性素子は、スピントロニクス素子とよばれ、従来の半導体素子の技術限界を打破する新しい技術として期待されている。スピントロニクス素子に関する技術は、例えば、特許文献１〜９に開示されている。
また、近年では、電流を伴わないスピン流（純スピン流）がスピントロニクス素子における新しい機能性として注目されており、その生成・輸送・検出技術が確立されつつある。
例えば、非磁性体と強磁性体との界面に電流を流すことにより、純スピン流を生成する方法がある。具体的には、非磁性体細線に強磁性体を接触させる。非磁性体と強磁性体との界面に電流を流すと、強磁性体からスピン偏極電流（純スピン流＋電流）が非磁性体中へと流れ込む。非磁性体細線の片側のみが電流源と閉回路を形成している場合は、回路側の非磁性体細線には電流が流れているが、もう片側には電流が流れていない。ところが、強磁性体から注入されたスピン偏極電子は、細線の両側に拡散し、電流がない部分においてもスピンは流れており、これを純スピン流と呼ぶ。また、純スピン流の生成・検出方法の一つとして、非磁性体のスピンホール効果を利用した方法がある。スピンホール効果に関する技術は、例えば、非特許文献１〜６に開示されている。
従来、スピンホール効果を利用した純スピン流の生成・検出には、Ｐｔ等の５ｄ遷移金属がよく用いられている。しかしながら、その変換効率（電流とスピン流の間の変換効率）は非常に低い。なお、Ａｕが非常に高い変換効率を有することが報告されているが、本発明者らや他の研究者による実験では、そのような変換効率を得ることができていない（非特許文献７）。そのため、Ａｕのデータは再現性（信頼性）に乏しく、Ｐｔの変換効率が最も高いと考えられている。
現在のスピントロニクス素子において、スピンの注入源、検出源として、強磁性体が利用されている。しかしながら、素子サイズの減少と共に、スピンの注入源、検出源として利用されている強磁性体間の距離も減少し、かつ強磁性体自身の大きさも小さくする必要がある。このような場合、強磁性体間の静磁結合が生じてしまい、その動作特性（特に、磁場応答性）に悪影響を及ぼす可能性がある。スピンの注入、検出に、非磁性体のスピンホール効果、逆スピンホール効果を利用すれば、そのような問題は解消される。しかしながら、従来の材料では変換効率が低いという問題がある。
特開２００４−１８６２７４号公報 特開２００４−３４２２４１号公報 特開２００５−１９５６１号公報 特開２００５−１３５４６２号公報 特開２００７−１５５８５４号公報 特開２００７−２９４７１０号公報 特開２００９−１４６５１２号公報 特開２００９−２９５８２４号公報 特開２０１０−３８５０号公報
S. O. Valenzuela and M. Tinkham "Direct electronic measurement of the spin Hall effect" Nature, vol. 442, pp. 176-179 (2006). T. Kimura, Y. Otani, T. Sato, S. Takahashi and S. Maekawa "Room-Temperature Reversible Spin Hall Effect" Physical Review Letters, vol. 98, pp. 156601-1-4 (2007). L. Vila, T. Kimura, Y. Otani "Evolution of Spin Hall Effect in Pt Nanowires: Size and Temperature Effects" Physical Review Letters, vol. 99, pp. 226604-1-4 (2007). T. Seki, Y. Hasegawa, S. Mitani, S. Takahashi, H. Imamura, S. Maekawa, J. Nitta and K. Takanasi "Giant spin Hall effect in perpendicularly spin-polarized FePt/Au devices" Nature Materials, vol. 7, pp. 125-129 (2008). 大谷義近、木村崇「スピントロニクスにおけるスピンホール効果」まぐね（日本磁気学会誌）vol. 4, pp. 66-72 (2009). T. Kimura, Y. Otani, L. Vila "Spin current absorption and spin Hall effects in ferromagnetic/nonmagnetic hybrid structures (invited)" Journal of Applied Physics, vol. 103, pp. 07F310-1-4 (2008). G. Mihajlovic, J. E. Pearson, M. A. Garcia, S. D. Bader and A. Hoffmann"Negative Nonlocal Resistance in Mesoscopic Gold Hall Bars: Absence of the Giant Spin Hall Effect" Physical Review Letters, vol. 103, pp. 166601-1-4 (2009).
本発明は、スピンホール効果または逆スピンホール効果を利用して電流とスピン流の間の変換を行う電流−スピン流変換素子であって、変換効率の高い電流−スピン流変換素子、及び、該素子を用いた装置を提供することを目的とする。
本発明の電流−スピン流変換素子は、５ｄ遷移金属酸化物のスピンホール効果または逆スピンホール効果を利用して電流とスピン流の間の変換を行うことを特徴とする。
上記構成によれば、変換効率の高い電流−スピン流変換素子を得ることができる。スピンホール効果の起源であるスピン流の散乱にはスピン軌道相互作用が関係すると考えられる。具体的には、フェルミ面（伝導を担う電子）がｄ軌道のような軌道角運動量の大きな軌道で構成されている材料の場合には、スピン軌道相互作用が大きく、材料中でスピン流は大きく散乱される。５ｄ遷移金属酸化物では、フェルミ面が５ｄ軌道のみで構成されているため、材料中でスピン流は大きく散乱すると考えられる。その結果、上記構成において、変換効率の高い電流−スピン流変換素子を得ることができたと考えられる。
例えば、５ｄ遷移金属酸化物は、Ｉｒを含む５ｄ遷移金属酸化物である。
また、本発明のスピン蓄積装置は、注入されるスピンを蓄積する非磁性体と、前記非磁性体内にスピンを注入する注入手段と、を有するスピン蓄積装置であって、前記注入手段は、前記非磁性体上に設けられた、上記電流−スピン流変換素子と、前記電流−スピン流変換素子に、スピンホール効果によって前記非磁性体に向かうスピン流が生成されるように、電流を流す電源と、を有することを特徴とする。
また、本発明のスピン蓄積量検出装置は、注入されるスピンを蓄積する非磁性体と、前記非磁性体内にスピンを注入する注入手段と、前記非磁性体内に蓄積されたスピンの量を検出する検出手段と、を有するスピン蓄積量検出装置であって、前記検出手段は、前記非磁性体上に設けられた、上記電流−スピン流変換素子と、前記スピンの量として、電流−スピン流変換素子の逆スピンホール効果によって生じた電流を検出する検出器と、を有することを特徴とする。
また、本発明の高周波スピン生成装置は、上記電流−スピン流変換素子と、前記電流−スピン流変換素子上に設けられた磁性体と、前記電流−スピン流変換素子に、スピンホール効果によって前記磁性体に向かうスピン流が生成されるように、電流を流す電源と、を有することを特徴とする。
また、本発明のスピン波検出装置は、磁性体と、前記磁性体にスピン波を生成するためのエネルギーを供給する供給手段と、前記磁性体内で生成されたスピン波を検出する検出手段と、を有するスピン波検出装置であって、前記検出手段は、前記磁性体上に設けられた、請求項１または２に記載の電流−スピン流変換素子と、前記スピン波として、電流−スピン流変換素子の逆スピンホール効果によって生じた電流を検出する検出器と、を有することを特徴とする。
このように、本発明の電流−スピン流変換素子は、スピン蓄積装置、スピン蓄積量検出装置、高周波スピン生成装置、スピン波検出装置などにおいて、従来の強磁性体の代わりとして利用できる。それにより、静磁結合または強磁性体端部からの漏れ磁場の問題が解消された装置を得ることができる。
本発明によれば、スピンホール効果または逆スピンホール効果を利用して電流とスピン流の間の変換を行う電流−スピン流変換素子であって、変換効率の高い電流−スピン流変換素子及び該素子を用いた装置を提供することができる。
図１は、スピンホール効果および逆スピンホール効果を示す概略図である。 図２は、ＩｒＯ２のスピン拡散長を測定するための素子の一例を示す概略図である。図２（ａ）はＩｒＯ２配線が無い素子の概略図であり、図２（ｂ）はＩｒＯ２配線を有する素子の概略図である。 図３は、図２の素子におけるＡｇ配線内のスピン蓄積量の検出結果の一例を示す図である。図３（ａ）は図２（ａ）の素子を用いて得られたスピン蓄積量の検出結果であり、図３（ｂ）は図２（ｂ）の素子を用いて得られたスピン蓄積量の検出結果である。 図４は、逆スピンホール効果を検出するための素子の一例を示す概略図である。 図５は、逆スピンホール効果の検出結果の一例を示す図である。 図６は、本実施形態に係るスピン蓄積装置の構成の一例を示す概略図である。 図７は、本実施形態に係るスピン蓄積量検出装置の構成の一例を示す概略図である。 図８は、本実施形態に係る高周波スピン波生成装置の構成の一例を示す概略図である。 図９は、本実施形態に係るスピン波検出装置の構成の一例を示す概略図である。
（スピンホール効果、逆スピンホール効果）
まず、スピンホール効果および逆スピンホール効果について説明する。図１に示すように、非磁性体中に電流Ｉｅを流すと、スピン軌道相互作用により上向きスピンを有する電子（上向きスピン電子ｅ１）と下向きスピンを有する電子（下向きスピン電子ｅ２）とが互いに逆方向に散乱される。その結果、電流Ｉｅの向き及びスピンの向きの両方に垂直な向きのスピン流ＩＳ（純スピン流）が生成される。このような現象（効果）をスピンホール効果と呼ぶ。一方、非磁性体中にスピン流ＩＳを流すと、スピン流ＩＳの向き及びスピンの向きの両方に垂直な向きの電流Ｉｅが生成される。このような現象を逆スピンホール効果と呼ぶ。このように、スピンホール効果または逆スピンホール効果を利用すれば電流とスピン流の間の変換を行うことができる。そのため、そのような変換を行う素子（非磁性体）を電流−スピン流変換素子と呼ぶ。スピンホール効果および逆スピンホール効果において、電流Ｉｅとスピン流ＩＳは以下の式１の関係を有する。
Figure 2012049403
ここで、ｓはスピンの向き（磁化方向）である。
式１の関係によって起こる電流とスピン流との間の変換（スピン流の散乱）の効率は、スピン軌道相互作用の大きさに依存することが期待される。具体的には、スピン軌道相互作用の大きい材料は、大きな変換効率を示すことが期待される。そこで、発明者らは、スピン軌道相互作用の強いＩｒＯ２という材料に着目し、ＩｒＯ２のスピンホール効果について調べた。以下、詳しく説明する。
（スピン拡散長の測定）
スピンの注入、検出に、非磁性体のスピンホール効果、逆スピンホール効果を利用する場合には、該非磁性体のスピン拡散長が小さい（短い）ことが好ましい。スピン拡散長は、スピンの状態が維持される長さ（スピンが緩和する長さ）である。
そこで、本発明者らは、図２の素子を作製し、ＩｒＯ２のスピン拡散長を測定した。
図２（ａ）の素子は、２本の強磁性配線を非磁性配線で架橋した構造を有する。本実施形態では、強磁性配線としてパーマロイ製の配線（Ｐｙ１配線，Ｐｙ２配線）を、非磁性配線としてＡｇ製の配線（Ａｇ配線）を用いた。図２（ｂ）の素子は、図２（ａ）の素子にＩｒＯ２製の配線（ＩｒＯ２配線）を加えた構造を有する。具体的には、ＩｒＯ２配線は、Ａｇ配線の、Ｐｙ１配線とＰｙ２配線の間の位置に接続されている。本実施形態では、厚さｔ＝１０ｎｍ、幅ｗ＝１７０ｎｍのＩｒＯ２配線を用いた。また、Ａｇ配線のＰｙ１配線との接続位置からＰｙ２配線との接続位置までの長さｄＰｙ−Ｐｙ＝７００ｎｍ、Ａｇ配線のＰｙ１配線との接続位置からＩｒＯ２配線との接続位置までの長さｄＰｙ−ＩｒＯ２＝３５０ｎｍとした。
図２の例では、Ｐｙ１配線からＡｇ配線へ電流Ｉｃを流すことにより、Ｐｙ１配線からＡｇ配線へスピンが注入される。そして、Ａｇ配線とＰｙ２配線の間の電位差を測定することにより、Ａｇ配線に蓄積されているスピンの量（スピン蓄積量）を検出することができる。
図３は、スピン蓄積量の検出結果を示す。図３（ａ），（ｂ）は、それぞれ、図２（ａ），（ｂ）の素子におけるスピン蓄積量の検出結果を示す。図３において、横軸（Ｆｉｅｌｄ）はＰｙ１配線の磁化の向きを制御するための磁場（図中ｙ方向の磁場）の強さであ
り、縦軸（ＲＮＬＳＶ）は検出された電位差を流した電流Ｉｃで除算した値である。
図３において、ΔＲｗｉｔｈ，ΔＲｗｉｔｈｏｕｔはＡｇ配線に蓄積されたスピンの量に相当する。ここで、ΔＲｗｉｔｈがΔＲｗｉｔｈｏｕｔよりも小さいのは、Ａｇ配線に蓄積されたスピンがＩｒＯ２配線に吸収されたためである。
また、ＩｒＯ２のスピン拡散長λＩｒＯ２は、以下の式２−１，２−２を用いて算出することができる（非特許文献３）。
Figure 2012049403
Figure 2012049403
ここで、ＳはＡｇ配線とＩｒＯ２配線との接合断面積、ρＡは材料Ａの電気抵抗率、λＡは材料Ａのスピン拡散長、ＲＡは材料Ａのスピン抵抗（スピン流の流れやすさを表す指標）である。ρＩｒＯ２の値は２×１０−４Ωｃｍ、ρＡｇの値は３×１０−６Ωｃｍ、λＡｇの値は３３０ｎｍである。また、本実験では、Ｓの値は２．９×１０−１０ｃｍ２であった。そして、本実験から、ＩｒＯ２のスピン拡散長λＩｒＯ２の値は約１５ｎｍであり、Ｐｔの値（≒１０ｎｍ）と同等であることが分かった。それにより、ＩｒＯ２が電流−スピン流変換素子の材料として有望であることの示唆が得られた。
（逆スピンホール効果の検出）
図２（ｂ）の素子において、ＩｒＯ２配線にスピン流が吸収されると、逆スピンホール効果によりＩｒＯ２配線内に電流Ｉｅが流れる。具体的には、ＩｒＯ２配線に吸収されるスピン流のスピンの向きが図中ｘ方向である場合、ＩｒＯ２配線内には図中ｙ方向に電流Ｉｅが流れる。
そこで、本発明者らは図４に示すような素子を作製し、ＩｒＯ２配線の両端の電位差を測定することにより、ＩｒＯ２の逆スピンホール効果の検出を行った。なお、ＩｒＯ２配線の厚さｔ、幅ｗ、電流Ｉｃ、Ａｇ配線のＰｙ１配線との接続位置からＰｙ２配線との接続位置までの長さｄＰｙ−Ｐｙ及び、Ａｇ配線のＰｙ１配線との接続位置からＩｒＯ２配線との接続位置までの長さｄＰｙ−ＩｒＯ２の値は、図２，３の実験での値と同様である。
図５は、図４の素子を用いた実験結果を示す。図５において、横軸（Ｆｉｅｌｄ）は図中ｘ方向の磁場の強さであり、縦軸（ＲＩＳＨＥ）は検出された電位差を流した電流Ｉｃで除算した値である。
図５に示すように、磁場の反転、即ち注入するスピン流の磁化方向の反転に伴い、電圧の極性が反転する現象が観測された。この結果は式１に対応しており、ＩｒＯ２の逆スピンホール効果が検出できた。
（スピンホール抵抗率とスピンホール角の算出）
図４，５の実験において、検出される電位差の変動量ΔＶは、以下の式３で表される。
Figure 2012049403
ここで、ＩｃはＰｙ１配線に流した電流、ｗはＩｒＯ２配線の幅である。
式３において、ΔＲＩＳＨＥは、ＩｒＯ２において逆スピンホール効果（スピンホール効果）により生じた電圧差をＰｙ１配線に流した電流Ｉｃで除算した値であり、図５の曲線におけるプラトー部の高さの差である。図４，５の実験では、ΔＲＩＳＨＥ≒０．１８ｍΩであった。
式３において、ＩＳは、ＩｒＯ２配線に吸収されたスピン流量であり、図２，３の実験から、以下の式４を用いて算出することができる（非特許文献６）。
Figure 2012049403
ここで、αＰｙ1はＰｙ１のスピン偏極率であり、本実施形態ではαＰｙ1は０．２６であった。
式３において、ρＳＨＥは、ＩｒＯ２のスピンホール抵抗率であり、スピン流と電位差（即ち、電流）の間の変換効率（スピンホール効果、逆スピンホール効果の強度）の指標となる値である（ρＳＨＥが大きいほど変換効率は高い）。式３，４から、ＩｒＯ２のスピンホール抵抗率ρＳＨＥの値は９．３×１０−９Ωｍであり、Ｐｔの値（５．７７×１０−１０Ωｍ、非特許文献２）の約１６倍であることが分かった。それにより、ＩｒＯ２が電流−スピン流変換素子の材料として有望であることの示唆が得られた。
また、スピンホール効果、逆スピンホール効果を議論するのに、スピンホール角αが利用できる。スピンホール角αは、材料中を流れる電子がスピン軌道相互作用によりどの程度曲げられるかを示す指標であり、大きい値であることが好ましい。スピンホール角αは、以下の式５を用いて算出することができる。
Figure 2012049403
式５から、ＩｒＯ２のスピンホール角αの値は０．００４７であり、Ｐｔの値（０．００３７、非特許文献２）の約１．３倍であることが分かった。それにより、ＩｒＯ２が電流−スピン流変換素子の材料として有望であることの示唆が得られた。
以上述べたように、ＩｒＯ２は、Ｐｔに比べ非常に大きなスピンホール抵抗率、スピンホール角を示す材料であることが分かる。そのため、ＩｒＯ２を用いることにより、変換効率の高い電流−スピン流変換素子を得ることができる。
また、本発明者らは、ＩｒＯ２が大きなスピンホール抵抗率、スピンホール角を示す理由（ＩｒＯ２におけるスピンホール効果（逆スピンホール効果）の強度、即ち、電流とスピン流との間の変換効率が高い理由）について考察した。その結果、５ｄ遷移金属酸化物
が電流−スピン流変換素子の材料として有望であることを見出した。以下、詳しく説明する。
スピン流の散乱機構にはスピン軌道相互作用が関係すると考えられる。具体的には、フェルミ面がスピン軌道相互作用を持たないｓ軌道で構成されている材料の場合には、材料中でスピン流は散乱されない。一方、フェルミ面が５ｄ軌道のようなスピン軌道相互作用の大きい電子軌道で構成されている材料の場合には、材料中でスピン流は大きく散乱される。そのため、５ｄ軌道はスピンホール効果（逆スピンホール効果）に大きく寄与すると考えられる。
Ｐｔなどの５ｄ金属では、フェルミ面が６ｓ軌道と５ｄ軌道の混成軌道で構成されている。そのため、スピン軌道相互作用を持たない６ｓ軌道が、スピンの散乱を弱め、変換効率を低くしているものと考えられる。
一方、ＩｒＯ２では、フェルミ面が５ｄ軌道のみで構成されているため、高い変換効率が得られたと考えられる。即ち、フェルミ面が５ｄ軌道のみで構成された材料であれば、高い変換効率を示すことが期待でき、５ｄ遷移金属酸化物が電流−スピン流変換素子の材料として有望であると考えられる。５ｄ遷移金属酸化物は、例えば、ＲｅＯ３，ＳｒＩｒＯ３，ＣａＩｒＯ３，ＢａＩｒＯ３，ＭｘＷＯ３（Ｍ＝Ｈ，Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｒｂ，Ｃｓ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｇｄ，ｘ＝０．０５〜０．１５）などである。また、上記実験では、多結晶及びアモルファスのＩｒＯ２を用いた（図３，５は多結晶を用いた場合のデータである）。単結晶では、多結晶・アモルファスに比べ電気抵抗率が小さくなるため、単結晶のＩｒＯ２を利用すれば更なる高効率化の実現が期待できる。
＜電流−スピン変換素子を用いた装置＞
以下、上述した電流−スピン流変換素子を用いた装置の具体例について説明する。なお、以下では、電流−スピン流変換素子として、ＩｒＯ２から成る素子を用いた場合について説明するが、素子の材料は５ｄ遷移金属酸化物であればよく、ＩｒＯ２に限るものではない。
（スピン蓄積装置）
図６は、本実施形態に係るスピン蓄積装置の構成の一例を示す概略図である。本実施形態に係るスピン蓄積装置は、ＩｒＯ２のスピンホール効果（電流からスピン流への変換）を利用して、非磁性体内にスピンを蓄積する。以下、図６を参照してスピン蓄積装置の構成について詳しく説明する。
スピン蓄積装置は、注入されるスピンを蓄積するスピン蓄積用非磁性体（蓄積部６１）と、非磁性体にスピンを注入する注入部６２と、を有する。また、図６の例では、スピン蓄積装置は、磁場検出部６３を更に有する。
蓄積部６１は、板状の形状を有する。
スピン注入部６２は、蓄積部６１上（蓄積部６１の片面上）に設けられたＩｒＯ２（ＩｒＯ２配線６４）と、ＩｒＯ２配線６４に、スピンホール効果によって蓄積部６１に向かうスピン流が生成されるように、電流を流す電源６５と、を有する。具体的には、電源６５により、ＩｒＯ２配線６４の配線方向（図中ｙ方向）に電流を印加することで、ＩｒＯ２配線６４内に、蓄積部６１に向かうスピン流が生成される。ＩｒＯ２配線６４内で生成されたスピン流は、蓄積部６１内へと流れ込む。それにより、蓄積部６１内にスピンを蓄積することができる。また、スピン流および蓄積するスピンの向きは電流の方向で制御することができる。
磁場検出部６３は、蓄積部６１上に設けられた強磁性体６６（強磁性体電極）と、磁場を検出する検出器６７とを有する。具体的には、蓄積部６１内を流れるスピン流は、強磁性体６６へと流れ込む。そして、検出器６７（電圧計）により、強磁性体６６と蓄積部６１の間の電位差が検出される。該電位差を検出することにより、強磁性体６６と蓄積部６１の間の化学ポテンシャルの違いを検出することができる。なお、検出される電位差は、強磁性体６６内の磁化と蓄積されたスピンの向きとの相対角度に依存する。本装置を磁場センサとして利用する場合には、強磁性体６６と蓄積部６１の端面に、測定対象となる媒体を接触させればよい。媒体からの漏れ磁場により、強磁性体６６の磁化の向きが変化するため、該変化を電位差の変化として検出することができる。そして、この電位差の変化分から、媒体からの磁場の大きさを算出することができる。
蓄積部６１の材料としては、スピン緩和長の長いものが望ましく、Ａｌ，Ｍｇ，Ｃｕ，Ａｇ等の金属およびそれら合金、Ｓｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓ等の半導体、Ａｌ，Ｎｂ等の超電導体などが利用できる。
また、ＩｒＯ２配線６４と強磁性体６６の距離Ｌ６は、非磁性体６１のスピン緩和長以下にする必要がある。例えば、室温では、Ｃｕのスピン緩和長は３００ｎｍ程度、Ａｕのスピン緩和長は５０ｎｍ程度、Ａｌのスピン緩和長は４００ｎｍ程度である。ＩｒＯ２配線６４と強磁性体６６の距離Ｌ６が短いほど、大きな電位差を検出することができるため、好ましい。
また、強磁性体６６の材料としては、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏおよびその合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ等のアモルファス材料、Ｃｏ−Ｍｎ−ＳｉやＣｏ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ａｌ等のホイスラー材料、Ｌａ−Ｓｒ−Ｍｎ―Ｏ等の酸化物材料、ＧａＭｎＡｓ等の強磁性半導体材料などが利用できる。
なお、磁気特性や化学特性を制御するために、上記材料に、Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｃ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｎ，Ｐ，Ｓｂ，Ｏ，Ｓ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ａｇ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ａｕ等の非磁性元素を適宜添加しても良い。
また、強磁性体６６は、上記材料のうちの１種類からなる強磁性体薄膜であってもよいし、複数種類の薄膜が積層された多層薄膜であってもよい。
なお、強磁性体６６の膜厚ｄ６は、電位差の読み出し時のノイズや磁気特性を考慮すると、２ｎｍ以上が望ましい。
（スピン蓄積量検出装置）
図７は、本実施形態に係るスピン蓄積量検出装置の構成の一例を示す概略図である。本実施形態に係るスピン蓄積量検出装置は、ＩｒＯ２の逆スピンホール効果（スピン流から電流への変換）を利用して、非磁性体内に蓄積されたスピンの量（スピン蓄積量）を検出する。以下、図７を参照してスピン蓄積量検出装置の構成について詳しく説明する。
スピン蓄積量検出装置は、注入されるスピンを蓄積する蓄積用非磁性体（蓄積部７１）と、蓄積部７１内にスピンを注入するスピン注入部７２と、蓄積部７１内に蓄積されたスピンの量を検出する検出部７３と、を有する。
蓄積部７１は、板状の形状を有する。
スピン注入部７２は、蓄積部７１上（蓄積部７１の片面上）に設けられた強磁性体７４
と、強磁性体７４から蓄積部７１へ電子が流れるように電流を流す電源７５と、を有する。強磁性体内のスピン偏極電子が蓄積部７１内に注入されることにより、蓄積部７１にスピン流、スピンの蓄積を生じさせることができる。
検出部７３は、蓄積部７１上（蓄積部７１の片面上）に設けられたＩｒＯ２（ＩｒＯ２配線７６）と、スピンの量（スピン蓄積量）として、ＩｒＯ２の逆スピンホール効果によって生じた電流を検出する検出器７７と、を有する。具体的には、蓄積部７１内を流れるスピン流は、ＩｒＯ２配線７６内へと流れ込み、ＩｒＯ２の逆スピンホール効果によって電流へと変換される（ＩｒＯ２の両端に電位差が生じる）。そして、検出器７７（電圧計）により、ＩｒＯ２配線７６の両端の電位差が検出される。検出される電位差の大きさは、蓄積部７１中のスピン蓄積量およびそのスピンの向きに依存する。
電源７５（定電流源）を用いて、強磁性体７４から蓄積部７１内へスピンを注入する。蓄積部７１内に注入、蓄積されるスピンの向きは、強磁性体７４の磁化の向きと同一である。本装置を磁場センサとして利用する場合には、強磁性体７４と蓄積部７１の端面に、測定対象となる媒体を接触させればよい。媒体からの磁場により強磁性体７４の磁化の向きが変化するため、蓄積部７１内に蓄積されるスピンの向きも変化する。その結果、ＩｒＯ２内に流れ込むスピン流の向きが変化するため、該変化を電位差の変化として検出することができる。そして、この電位差の変化分から、媒体からの磁場の大きさを算出することができる。
蓄積部７１の材料としては、スピン緩和長の長いものが望ましく、Ａｌ，Ｍｇ，Ｃｕ，Ａｇ等の金属およびそれら合金、Ｓｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓ等の半導体、Ａｌ，Ｎｂ等の超電導体などが利用できる。
また、ＩｒＯ２配線７６と強磁性体７４の距離Ｌ７は、非磁性体７１のスピン緩和長以下にする必要がある。例えば、室温では、Ｃｕのスピン緩和長は３００ｎｍ程度、Ａｕのスピン緩和長は５０ｎｍ程度、Ａｌのスピン緩和長は４００ｎｍ程度である。ＩｒＯ２配線７６と強磁性体７４の距離Ｌ７が短いほど、大きな電位差を検出することができるため、好ましい。
また、強磁性体７４の材料としては、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏおよびその合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ等のアモルファス材料、Ｃｏ−Ｍｎ−ＳｉやＣｏ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ａｌ等のホイスラー材料、Ｌａ−Ｓｒ−Ｍｎ―Ｏ等の酸化物材料、ＧａＭｎＡｓ等の強磁性半導体材料などが利用できる。
なお、磁気特性や化学特性を制御するために、上記材料に、Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｃ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｎ，Ｐ，Ｓｂ，Ｏ，Ｓ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ａｇ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ａｕ等の非磁性元素を適宜添加しても良い。
また、強磁性体７４は、上記材料のうちの１種類からなる強磁性体薄膜であってもよいし、複数種類の薄膜が積層された多層薄膜であってもよい。
なお、強磁性体７４の膜厚ｄ７は、電位差の読み出し時のノイズや磁気特性を考慮すると、２ｎｍ以上が望ましい。
（高周波スピン波生成装置）
図８は、本実施形態に係る高周波スピン波生成装置の構成の一例を示す概略図である。本実施形態に係る高周波スピン波生成装置は、ＩｒＯ２のスピンホール効果（電流からスピン流への変換）を利用して、高周波の電磁波または磁性体内部にスピン波を生成する。
以下、図８を参照して高周波スピン波生成装置の構成について詳しく説明する。
高周波スピン波生成装置は、板状のＩｒＯ２配線８１と、ＩｒＯ２配線８１上（ＩｒＯ２配線８１の片面上）に設けられた磁性体８２と、ＩｒＯ２配線８１に、スピンホール効果によって磁性体８２に向かうスピン流が生成されるように、電流を流す電源８３（電流源）と、を有する。具体的には、電源８３により、ＩｒＯ２配線８１の配線方向（図中ｙ方向）に電流を印加することで、ＩｒＯ２配線８１内に、磁性体８２に向かうスピン流が生成される。スピン流のスピンの向きは電流の方向で制御することができる。
ＩｒＯ２内で生成されたスピン流は、磁性体８２が導電性の磁性体の場合、磁性体８２中へと流れ込む。スピン流と磁性体８２中の局在スピンとの相互作用により、局在スピンにトルク（スピントルク）が生じる。このスピントルクにより、磁性体８２の磁化は磁性体８２の固有振動数で歳差運動を始める。そして、この歳差運動により、高周波の電磁波または磁性体８２内部にスピン波が生成される。
ＩｒＯ２内で生成されたスピン流は、磁性体８２が絶縁性の磁性体の場合、ＩｒＯ２と磁性体８２との接触界面でスピン軌道相互作用の授与が行われ、磁性体８２の磁化は歳差運動を始める。そして、この歳差運動により、高周波の電磁波または磁性体内部にスピン波が生成される。
なお、歳差運動の固有振動数は、磁性体８２の材料や形状等を変えることで、サブＧＨｚから数十ＧＨｚの間で選択することができる。
また、安定した自励発振の実現や、周波数を外部から変えるために、高周波スピン波生成装置に磁場を印加してもよい。
磁性体８２としては、強磁性体、反強磁性体、フェライトを代表する磁性誘電体などが利用できる。強磁性体の材料としては、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏおよびその合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ等のアモルファス材料、Ｃｏ−Ｍｎ−ＳｉやＣｏ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ａｌ等のホイスラー材料、Ｌａ−Ｓｒ−Ｍｎ−Ｏ等の酸化物材料、ＧａＭｎＡｓ等の強磁性半導体材料などが利用できる。反強磁性体の材料としては、Ｍｎ，Ｃｒおよびその合金、Ｃｏ−ＯやＮｉ−Ｏ等の酸化物材料などが利用できる。
なお、磁気特性や化学特性を制御するために、上記材料に、Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｃ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｎ，Ｐ，Ｓｂ，Ｏ，Ｓ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ａｇ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ａｕ等の非磁性元素を適宜添加しても良い。
また、磁性体８２は、上記材料のうちの１種類からなる磁性体薄膜であってもよいし、複数種類の薄膜が積層された多層薄膜であってもよい。
（スピン波検出装置）
図９は、本実施形態に係るスピン波検出装置の構成の一例を示す概略図である。本実施形態に係るスピン波検出装置は、ＩｒＯ２の逆スピンホール効果（スピン流から電流への変換）を利用して、スピン波を検出する。以下、図９を参照してスピン波検出装置の構成について詳しく説明する。
スピン波検出装置は、板状の磁性体９１と、磁性体９１にスピン波を生成するためのエネルギーを供給する供給部９２と、磁性体９１内で生成されたスピン波を検出する検出部９３と、を有する。図９の例では、供給部９２は、磁性体９１上（磁性体９１の片面上）に設けられている。
供給部９２は、磁性体９１に局所的にエネルギーを供給する。それにより、磁性体９１内にスピン波が生成される。エネルギーは、例えば、レーザー光による熱エネルギーであってもよいし、パルス磁場を印加することによる静磁エネルギーであってもよいし、スピン流を利用したスピントルクエネルギーであってもよい。
検出部９３は、磁性体９１上（磁性体９１の片面上）に設けられたＩｒＯ２配線９４と、スピン波として、ＩｒＯ２配線の逆スピンホール効果によって生じた電流を検出する検出器９５と、を有する。
熱平衡状態にある磁性体９１において、スピンの向きは、交換相互作用により規則的に配列している。エネルギーが供給されると、このスピンの配列は局所的に乱される。しかしながら、隣接するスピン間の交換相互作用により、スピン波が生成される。生成されたスピン波は、磁性体９１内を伝搬する。
そして、伝搬されたスピン波は、ＩｒＯ２配線９４に到達する。ＩｒＯ２配線９４と磁性体９１との接触界面間の相互作用により、磁性体９１内のスピン波は急速に減衰する。そして、該接触界面でスピン軌道相互作用の授与が行われ、スピン波はスピン流としてＩｒＯ２配線９４内に流れ込む。そのスピン流は、逆スピンホール効果により電流へ変換され、検出器９５で電位差として検出される。それにより、スピン波は電位差として検出される。
磁性体９１としては、強磁性体、反強磁性体、フェライトを代表する磁性誘電体などが利用できる。強磁性体の材料としては、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏおよびその合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ等のアモルファス材料、Ｃｏ−Ｍｎ−ＳｉやＣｏ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ａｌ等のホイスラー材料、Ｌａ−Ｓｒ−Ｍｎ−Ｏ等の酸化物材料、ＧａＭｎＡｓ等の強磁性半導体材料などが利用できる。反強磁性体の材料としては、Ｍｎ，Ｃｒおよびその合金、Ｃｏ−ＯやＮｉ−Ｏ等の酸化物材料などが利用できる。
なお、磁気特性や化学特性を制御するために、上記材料に、Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｃ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｎ，Ｐ，Ｓｂ，Ｏ，Ｓ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ａｇ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ａｕ等の非磁性元素を適宜添加しても良い。
以上述べたように、本実施形態によれば、５ｄ遷移金属酸化物のスピンホール効果または逆スピンホール効果を利用して電流とスピン流の間の変換を行うことにより、変換効率の高い電流−スピン流変換素子を得ることができる。
また、上述したように、本実施形態に係る電流−スピン流変換素子は、スピン蓄積装置、スピン蓄積量検出装置などにおいて、従来の強磁性体代わりとして利用できる。それにより、静磁結合または強磁性体端部からの漏れ磁場の問題が解消された装置を得ることができる。
また、上述した高周波スピン波生成装置やスピン波検出装置のようなスピン波を利用した装置（論理素子）は、高速な情報伝送が可能であることから超高速情報処理素子として期待されている。ここでは一例として、高周波スピン波生成装置とスピン波検出装置を示したが、それらを組み合わせることで様々な装置の実現が可能である。
６１，７１ 蓄積部
６２，７２ スピン注入部
６３ 磁場検出部
６４，７６，８１，９４ 配線
６５，７５，８３ 電源
６６，７４ 強磁性体
６７，７７，９５ 検出器
７３，９３ 検出部
８２，９１ 磁性体
９２ 供給部

Claims (6)

  1. ５ｄ遷移金属酸化物のスピンホール効果または逆スピンホール効果を利用して電流とスピン流の間の変換を行う
    ことを特徴とする電流−スピン流変換素子。
  2. 前記５ｄ遷移金属酸化物は、Ｉｒを含む
    ことを特徴とする請求項１に記載の電流−スピン流変換素子。
  3. 注入されるスピンを蓄積する非磁性体と、
    前記非磁性体内にスピンを注入する注入手段と、
    を有するスピン蓄積装置であって、
    前記注入手段は、
    前記非磁性体上に設けられた、請求項１または２に記載の電流−スピン流変換素子と、
    前記電流−スピン流変換素子に、スピンホール効果によって前記非磁性体に向かうスピン流が生成されるように、電流を流す電源と、
    を有する
    ことを特徴とするスピン蓄積装置。
  4. 注入されるスピンを蓄積する非磁性体と、
    前記非磁性体内にスピンを注入する注入手段と、
    前記非磁性体内に蓄積されたスピンの量を検出する検出手段と、
    を有するスピン蓄積量検出装置であって、
    前記検出手段は、
    前記非磁性体上に設けられた、請求項１または２に記載の電流−スピン流変換素子と、
    前記スピンの量として、電流−スピン流変換素子の逆スピンホール効果によって生じた電流を検出する検出器と、
    を有する
    ことを特徴とするスピン蓄積量検出装置。
  5. 請求項１または２に記載の電流−スピン流変換素子と、
    前記電流−スピン流変換素子上に設けられた磁性体と、
    前記電流−スピン流変換素子に、スピンホール効果によって前記磁性体に向かうスピン流が生成されるように、電流を流す電源と、
    を有することを特徴とする高周波スピン波生成装置。
  6. 磁性体と、
    前記磁性体にスピン波を生成するためのエネルギーを供給する供給手段と、
    前記磁性体内で生成されたスピン波を検出する検出手段と、
    を有するスピン波検出装置であって、
    前記検出手段は、
    前記磁性体上に設けられた、請求項１または２に記載の電流−スピン流変換素子と、
    前記スピン波として、電流−スピン流変換素子の逆スピンホール効果によって生じた電流を検出する検出器と、
    を有する
    ことを特徴とするスピン波検出装置。
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