JP5339272B2

JP5339272B2 - スピントロニクスデバイス及び情報伝達方法

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Publication number: JP5339272B2
Application number: JP2008148556A
Authority: JP
Inventors: 瑛祐梶原; 健一内田; 和也安藤; 英治齊藤
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2008-06-05
Filing date: 2008-06-05
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2028-06-05
Also published as: US20110075476A1; US8254163B2; WO2009148108A1; JP2009295824A

Description

本発明は、スピントロニクスデバイス及び情報伝達方法に関するものであり、特に、スピン流をｍｍオーダー以上の距離を輸送するためにスピン流をスピン波スピン流として伝達する磁性誘電体層を備えたスピントロニクスデバイスに関するものである。

現在の半導体装置等のエクトロニクス分野においては、電子の有する電荷の自由度を利用しているが、電子は電荷以外にスピンという自由度を有している。近年、このスピンの自由度を利用したスピントロニクスが次世代の情報技術の担い手として注目を集めている。

このスピントロニクスでは電子の電荷とスピンの自由度を同時に利用することによって、従来にない機能や特性を得ることを目指している。

この様なスピントロニクスの具体的応用としてＧＭＲ素子或いはＴＭＲ素子に直接電流を流して電流の担い手となる電子のスピンによりフリー層の磁化方向を制御するスピンＲＡＭが提案されている（例えば、特許文献１或いは特許文献２参照）。

また、スピントロニクスの別の形態としては、量子コンピュータが挙げられ、この量子コンピュータにおいては、原子、イオン、或いは、分子の有するスピンを利用して量子ビット（Ｑｕｂｉｔ）とするものである（例えば、特許文献３参照）。

このように、磁気記録においてスピンのダイナミクスを利用した量子計算や量子情報蓄積が可能であることが明らかにされるとともに、その読み出しや制御にスピン流を用いることが有効であることが知られている。

現在の情報処理装置における情報の伝達は電子流によって行われているが、電子流はジュール熱を伴う。このジュール熱の発生は情報処理単位の高集積度化に伴い消費電力の増加として問題となるため、電子流に代えてスピン流による情報の伝達を検討されている。これは、固体中における伝導電子の電子流が時間的に非可逆過程であるのに対して、スピン流は可逆過程であり、エネルギーの散逸が殆どないために消費電力の増大に繋がらないことを利用するものである。

このようなスピントロニクスにおけるスピンの作用による現象としては、スピンホール効果（ｓｐｉｎ−Ｈａｌｌｅｆｆｅｃｔ）が知られており、試料中に電流を流すと、電流方向に垂直な向きに電荷の流を伴わない純スピン流が発生し、スピン流方向の試料端にスピン偏極が生ずる（例えば、非特許文献１参照）。

また、本発明者等は、逆に、試料中に純スピン流を注入すると、純スピン流の方向と垂直方向に電流が流れることを見いだしている。この逆スピンホール効果を利用することによって、試料端に電位差が発生するので、この電位差を検出することによって、純スピン流の流れの有無の検出が可能になる（例えば、非特許文献２参照）。
特開２００２−３０５３３７号公報特開２００７−０５９８７９号公報特開２００４−１０２３３０号公報Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．３０１，ｐ．１３４８，２００３ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓＶｏｌ．８８，ｐ．１８２５０９，２００６

しかし、導電体を用いたスピントロニクスデバイスにおいてはスピン流は伝導電子によって輸送されるが、スピン流の輸送に伴ってスピン或いは磁気モーメントの歳差運動の減衰を意味するスピン緩和が起こる。このスピン緩和時間は個々の部材に固有のスピン緩和時間で規定されてしまうため、純スピン流の輸送は数十〜数百ｎｍの距離が限界であるという問題がある。

そのため、エネルギーの散逸が殆どないために消費電力の増大に繋がらない純スピン流を情報伝達手段や電流輸送手段として用いようとしても、その輸送距離の短さが問題となる。

一方、スピン流を低損失且つ長距離輸送するために、スピン波スピン流を利用することが可能であることは予言されている（例えば、応用物理, 第７７巻, 第３号, ｐ．２５５，２００８参照）。このスピン波スピン流とは、図１４に模式的に示すように、スピンが平衡位置の周りで歳差運動し、その位相の変化が波としてスピン系を伝わっていくものである。

このスピン波スピン流による輸送は、エネルギーの散逸が少ないため、長距離伝達が可能になる。しかし、スピン波スピン流の利用可能性は予言されているが、これをどの様に実現していくのかについては暗中模索の状況にある。

したがって、本発明は、スピン波スピン流による長距離輸送を可能にする具体的手段を提供することを目的とする。

ここで、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
上記課題を解決するために、本発明は、スピントロニクスデバイスであって、磁性誘電体層と、前記磁性誘電体層上に設けられたＰｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｂｉ、またはそれらの合金、或いは、ｆ軌道を有する元素等のスピン軌道相互作用の大きな元素からなる少なくとも一つの金属電極とを備え、前記磁性誘電体層と前記金属電極との界面でスピン波スピン流−純スピン流の交換を行う。

本発明者等は鋭意研究の結果、誘電体として磁性誘電体を用いるとともに、スピン波スピン流の注入手段或いは取り出し手段として、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｂｉ、またはそれらの合金、或いは、ｆ軌道を有する元素等のスピン軌道相互作用の大きな元素からなる金属電極を用いることによって、磁性誘電体層と金属電極との界面でスピン波スピン流−純スピン電流の交換を行うことが可能であることを発見したものである。この場合、スピン波スピン流の注入に際してはスピンホール効果を用いることになり、スピン波スピン流の取り出しに際しては逆スピンホール効果を用いることになる。

したがって、磁性誘電体とＰｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｂｉ、またはそれらの合金、或いは、ｆ軌道を有する元素のいずれかからなる金属電極との界面を利用することにより、低損失なスピン流輸送や、磁性誘電体を介した電流の輸送が可能になる。

この場合の金属電極を少なくとも２個設け、１つの金属電極を磁性誘電体層へスピン波スピン流を注入するスピン流注入電極とし、他の少なくとも１つの金属電極を磁性誘電体層からのスピン波スピン流を電流として取り出す出力電極とすれば、情報伝達や電流輸送が可能になる。

また、磁性誘電体層は、強磁性誘電体或いは反強磁性誘電体のいずれでも良く、強磁性誘電体を用いる場合には、磁性誘電体層の磁化方向を固定するために反強磁性層を設けることが望ましい。なお、反強磁性誘電体は、典型的には酸化ニッケルやＦｅＯが挙げられるが、磁性誘電体の大半は反強磁性誘電体である。

また、強磁性誘電体としては、ＦｅやＣｏを含むものであれば何でも良いが、実用的には、入手が容易で且つエネルギーの散逸の小さいＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネット）やイットリウムガリウム鉄ガーネット、即ち、一般式で表記するとＹ₃ Ｆｅ_5-xＧａ_x Ｏ₁₂（但し、ｘ＜５）を用いることが望ましい。これは、Ｙ₃ Ｆｅ_5-xＧａ_x Ｏ₁₂はバンドギャップが大きいので伝導電子が非常に少なく、したがって、伝導電子によるエネルギーの散逸が小さいためである。

また、本発明は、情報伝達方法であって、磁性誘電体層上にＰｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｂｉ、またはそれらの合金、或いは、ｆ軌道を有する元素のいずれかからなる少なくとも一対の金属電極を設け、前記一対の金属電極の一方に信号電流を流すことによって前記磁性誘電体層中に信号電流に対応したスピン波スピン流を注入し、前記一対の金属電極の他方において、前記磁性誘電体層中を輸送されたスピン波スピン流によって純スピン流を生起し、前記純スピン流と直交する方向に信号電流を取り出すものである。

提示されたスピントロニクスデバイスによれば、低損失なスピン流輸送や、磁性誘電体を介した電流の輸送が可能になる。

ここで、図１乃至図１１を参照して、本発明の実施の形態を説明する。本発明は、スピン流をスピン波スピン流として磁性誘電体中を非常に低損失で輸送し、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｂｉ、またはそれらの合金、或いは、ｆ軌道を有する元素等のスピン軌道相互作用の大きな元素からなる金属電極との界面において、スピン波スピン流−純スピン流の交換を行うものである。

このスピン波スピン流−純スピン流交換においては、金属電極中で電流により生起されたスピン流と磁性誘電体中におけるスピンとが交換されて磁性誘電体を伝搬するスピン波スピン流となる。一方、磁性誘電体中におけるスピン波スピン流が金属電極中のスピンと交換し金属電極中にスピン流が生起され、このスピン流により電流が生ずる。

また、磁性誘電体層は、強磁性誘電体或いは反強磁性誘電体のいずれでも良く、強磁性誘電体を用いる場合には、強磁性誘電体としては、ＦｅやＣｏを含むものであれば何でも良いが、実用的には、入手が容易で且つエネルギーの散逸の小さいＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネット）やイットリウムガリウム鉄ガーネット、即ち、一般式で表記するとＹ₃ Ｆｅ_5-xＧａ_x Ｏ₁₂（但し、ｘ＜５）を用いる。

図１は、ＹＩＧ（Ｙ₃ Ｆｅ₅ Ｏ₁₂）の結晶構造図であり、結晶構造としては立方晶であり、磁気構造としてはフェリ磁性である。また、ＹＩＧにおける磁気イオンはＦｅ³⁺のみであり、単位格子当たりＦｅ↑（アップスピン）は２４個、Ｆｅ↓（ダウンスピン）は１６個存在する。したがって、ＹＩＧは単位格子値Ｆｅ８個分の磁気モーメントを持つことになる。なお、他のＦｅイオンは反強磁性的に結合している。

なお、Ｙ₃ Ｆｅ_5-xＧａ_x Ｏ₁₂の場合には、Ｙ₃ Ｆｅ₅ Ｏ₁₂におけるＦｅ原子の占めるサイトをＧａ原子でランダムに置換した構造となり、Ｇａ組成比ｘに応じて磁気モーメントを持つＦｅ原子の数は減少する。

また、反強磁性誘電体を用いる場合には、典型的には酸化ニッケルやＦｅＯが挙げられるが、磁性誘電体の大半は反強磁性誘電体である。また、磁性誘電体層を強磁性誘電体で構成する場合には、磁性誘電体層の磁化方向を固定するために反強磁性層を設けることが望ましい。

また、磁性誘電体層の成膜方法としては、スパッタ法、ＭＯＤ法、或いは、ゾル−ゲル法のいずれを用いても良い。また、磁性誘電体層の結晶性としては単結晶でも良いし或いは多結晶でも良い。

ここで、まず、磁性誘電体から金属電極へのスピン波スピン流−純スピン流交換を説明する。図２は、本発明の実施の形態に用いる試料の製造工程の説明図であり、ここでは、ＭＯＤ法により磁性誘電体としてＹ₃ Ｆｅ₄ ＧａＯ₁₂を成膜した試料として説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、｛１００｝面を主面とするＧＧＧ（Ｇｄ₃ Ｇａ₅ Ｏ₁₂）単結晶基板１１上にＹ₃ Ｆｅ₄ ＧａＯ₁₂組成のＭＯＤ溶液１２をスピンコート法で塗布する。この場合のスピンコート条件としては、まず、５００ｒｐｍで５秒間回転させたのち、３０００〜４０００ｒｐｍで３０秒間回転させてＭＯＤ溶液１２を焼成後の膜厚が１００ｎｍになるように均一に塗布する。なお、ＭＯＤ溶液１２としては（株）高純度化学研究所製のＭＯＤ溶液を用いた。

次いで、図２（ｂ）に示すように、例えば、１５０℃に加熱したホットプレート上で５分間乾燥させて、ＭＯＤ溶液１２に含まれる余分な有機溶媒を蒸発させる。
次いで、図２（ｃ）に示すように、電気炉中において、例えば、５５０℃で５分間加熱する仮焼成によって酸化物層１３とする。

次いで、図２（ｄ）に示すように、電気炉中において、７５０℃で１〜２時間加熱する本焼成において酸化物層１３の結晶化を進めてＹＩＧ層１４とする。なお、この場合のＹＩＧ層１４の組成はＹ₃ Ｆｅ₄ ＧａＯ₁₂であり、多結晶膜となる。

次いで、図２（ｅ）に示すように、スパッタ法を用いてＹＩＧ層１４上に、厚さが、例えば、１０ｎｍのＰｔ膜１５を設ける。最後に、この試料を１．０ｍｍ×３．０ｍｍのサイズに切り出すことによって試料が完成する。

次に、成膜したＹＩＧ膜１４の特性を検証するが、ここでは、図２（ｄ）の状態においてファラデー効果と強磁性共鳴（ＦＭＲ）特性を調べた。その結果、図３（ａ）に示すように、強磁性体としてはファラデー効果が確認されるとともに、図３（ｂ）に示すように強磁性共鳴特性も確認された。したがって、上記の製造工程で形成したＹＩＧ層１４は良好な強磁性体として特性を示しており、良好な結晶性を有することが分かる。

次に、この試料を用いたＹＩＧ／Ｐｔ接合におけるスピン波スピン流−純スピン流の交換が行われていることを検証する。この際、ＹＩＧのスピン波スピン流が、Ｐｔ内に純スピン流に交換されたことを逆スピンホール効果によって検証する。図４（ａ）は試料の概念的構成図であり、試料の面内に磁界Ｈを印加した状態でＰｔ膜１５側からマイクロ波を照射し、磁界Ｈと直交する方向の試料端における電位差Ｖを電圧計１６によって検出する。

図４（ｂ）は、強磁性共鳴特性図であり、上述のように試料に用いたＹＩＧ層１４が良好な結晶性を有していることを示している。また、図４（ｃ）は出力電圧Ｖの印加磁場Ｈ依存性であり、共鳴磁界強度においてμＶオーダーの出力電圧が得られた。

図５は、比較のためのＹＩＧ膜のみの参考試料における逆スピンホール効果の検証結果の説明図であり、ここでも、図５（ａ）に示すように、試料の面内に磁界Ｈを印加した状態でＰｔ膜１５側からマイクロ波を照射し、磁界Ｈと直交する方向の試料端における電位差Ｖを電圧計１６によって検出する。

図５（ｂ）は、強磁性共鳴特性図であり、ここでも試料に用いたＹＩＧ層１４が良好な結晶性を有していることを示している。また、図５（ｃ）は出力電圧Ｖの印加磁場Ｈ依存性であり、有為な出力電圧が検出されなかった。なお、ここでは、出力電圧が小さいことを予想してロックイン法で測定しており、したがって、縦軸は出力電圧Ｖを印加磁場Ｈで微分した値となる。

ＹＩＧ／Ｐｔ接合で得られた信号が、Ｐｔに純スピン流が生起され、逆スピンホール効果によって生じた起電力であることをさらに詳しく検証する。そのために、逆スピンホール効果の面内・面外角度依存性および物質依存性について検証した。図６は、逆スピンホール効果の面内角度依存性の説明図であり、図６（ａ）は試料系の構成説明図であり、印加磁場Ｈを電圧測定方向の法線に対してθ傾斜させて測定した。図６（ｂ）は、出力電圧Ｖの面内角度θ依存性の説明図であり、電流方向とスピン流方向とスピンの向きとの関係から予測されるように、ｃｏｓ曲線を示している。また、図６（ｃ）も、出力電圧Ｖの面内角度依存性の説明図であり、磁場Ｈの面内角度を変化させることで出力電圧が変化していることを示している。なお、ここでは、ＹＩＧの強磁性共鳴の磁界として、Ｈ_Ｒを原点にした磁場依存性として示しており、上記の図4（ｃ）と同じ特性を示すものである。

図７は、逆スピンホール効果の面外角度依存性の説明図であり、図７（ａ）は試料系の構成説明図であり、印加磁場Ｈを主平面に対してφ傾斜させて測定した。図７（ｂ）は、出力電圧Ｖの面外角度φ依存性の説明図であり、ここでも、電流方向とスピン流方向とスピンの向きとの関係から予測されるように、ｃｏｓ曲線を示している。また、図７（ｃ）も、出力電圧Ｖの面内角度依存性の説明図であり、磁場Ｈの面外角度を変化させることで出力電圧が変化していることを示している。

以上の図４乃至図７による検証結果から、ＹＩＧ／Ｐｔ界面においてスピン波スピン流−純スピン流の交換が行われていることが本発明者により初めて確認された。

図８は、逆スピンホール効果の物質依存性の説明図であり、図８（ａ）は試料系の構成説明図であり、ここでは、出力電極１７として、厚さが、例えば、１０ｎｍのＰｔ膜、１０ｎｍのＣｕ膜、及び、厚さが、例えば、３０ｎｍのＳｉＯ₂ 膜を介して１０ｎｍのＰｔ膜を設けたＳｉＯ₂ ／Ｐｔ積層膜の３種類の試料を用意した。

図８（ｂ）は出力電圧Ｖ−マイクロ波電力相関特性の物質依存性の説明図であり、出力電極１７として上述のようにＰｔ膜を用いた場合には出力電圧がマイクロ波電力にほぼ比例して得られる。一方、Ｃｕ膜及びＳｉＯ₂ ／Ｐｔ積層膜の場合には殆ど出力が検出されなかった。

これは、Ｐｔはスピン軌道相互作用が大きな元素であるため、ＹＩＧからＰｔへ注入された純スピン流が大きな逆スピンホール効果を示すためである。一方、Ｃｕの場合にはスピン軌道相互作用が非常に小さいため、ＹＩＧ中のスピン波スピン流がＣｕ中で純スピン流に交換しても、逆スピンホール効果が小さいため電流がほとんど生起されないためである。また、ＳｉＯ₂ ／Ｐｔ積層膜の場合には、ＹＩＧとＳｉＯ₂ の界面でスピン波スピン流の交換が行われないため、Ｐｔに純スピン流は流れず逆スピンホール効果も生じない系であると考えられる。この系で、起電力が生じなかったことから、前記検証によって生じた起電力がＰｔ内に純スピン流が生じ、逆スピンホール効果により生じた起電力であり、別の電気的な信号ではないことを実証するものである。

図９は、図８の結果に基づいた出力電圧Ｖの物質ごとのマイクロ波電力依存性の説明図であり、図８の場合と同様に出力電極１７としてＰｔ膜を用いた場合にのみ出力電圧が検出された。このことから、出力電極としては、逆スピンホール効果が大きくなると考えられるスピン軌道相互作用の大きな元素を用いる必要があることが分かる。このようなスピン軌道相互作用の大きな元素としては、Ｐｔ以外には、ＰｄやＡｕ、Ａｇ、Ｂｉ、またはそれらの合金、或いは、ｆ軌道を有する元素を用いれば良い。

次に、スピンホール効果を用いた金属から磁性誘電体へのスピン輸送を検証する。図１０は、スピンホール効果を用いた金属から磁性誘電体へのスピン輸送を検証するための試料系と測定結果の説明図である。図１０（ａ）と図１０（ｂ）は互いにバイアス磁場Ｈの向きを逆にしている。

この場合の試料系は、図に示すように、厚さが１μｍで、長さが８．０ｍｍで幅が３．０ｍｍのＹＩＧ層２１上に、厚さが１５ｎｍで、幅が０．６０ｍｍの一対のＰｔ電極２２，２３を１．０ｍｍの間隔を隔てて設けたものである。なお、図においては説明の都合上、注入電極となる左側のＰｔ電極２２を強調して図示している。

この試料系においては、実際にスピンホール効果が生じている場合には、左側のＰｔ電極２２にＹＩＧ膜２１の幅方向（図における縦方向）に沿って電流Ｉを流すと、スピンホール効果によって、Ｐｔ電極２２において電流方向と垂直な方向（図における横方向）に純スピン流が発生する。発生した純スピン流はＰｔ／ＹＩＧ界面で純スピン流からスピン波スピン流へ交換することによりＹＩＧ層２１中にスピン波スピン流を生じさせる。

このスピン波スピン流はＹＩＧ層２１中を輸送されて、右側のＰｔ電極２３との界面において、Ｐｔ電極２３中に純スピン流を発生させ、逆スピンホール効果により、純スピン流と直交する方向（図における縦方向）に電流が流れて、Ｐｔ電極２３の両端に電位差Ｖが発生する。

測定結果としては、Ｐｔ電極２２に流した電流Ｉの値にほぼ比例した出力電圧Ｖが得られており、Ｐｔ電極２２からＹＩＧ層２１へスピンホール効果により生成されたスピン流がスピン波スピン流に変換されてスピン輸送が生じたことが確認された。また、得られたＶ−Ｉ特性からは、固定磁場の方向の正負に依存しないことが示された。

図１１は、出力電圧Ｖの電流極性依存性の説明図であり、印加磁場の方向が＋Ｈの場合にも、−Ｈの場合にも、出力電圧Ｖは電流方向によって反転することが確認された。このことは、Ｐｔ電極２３で検出された出力電圧Ｖが、熱、即ち、ＹＩＧ層２１の長さ方向の両端の温度差に起因して発生したスピン波スピン流によるものではないことを示している。したがって、この結果から、図１０に示した測定結果は、Ｐｔ電極２２からＹＩＧ層２１へスピンホール効果によりスピン輸送が生じたことを保証することになる。

このように、本発明者は、誘電体としてＹＩＧ等の磁性誘電体を用いるとともに、接合を形成する金属としてスピン軌道相互作用の大きなＰｔを用いることによって、金属／磁性誘電体界面においてスピンの輸送が行われることを初めて発見したものである。この発見を応用することによって、伝導電子を媒介とした純スピン流を用いた場合に比べてエネルギー損失の非常に少ないスピン波スピン流を用いた長距離の情報伝送或いはエネルギー伝送が可能になる。

以上を前提として、次に、図１２を参照して、本発明の実施例１のスピントロニクスデバイスを説明する。図１２（ａ）は、本発明の実施例１のスピントロニクスデバイスの概念的構成図であり、ＧＧＧ単結晶基板３１上にスパッタ法を用いて厚さが、例えば、５０ｎｍのＹ₃ Ｆｅ₄ ＧａＯ₁₂組成のＹＩＧ層３２を形成し、その上に厚さが、例えば、１０ｎｍのＰｔ膜をマスクスパッタ法で堆積することによって、幅が１．０ｍｍで、間隔が５．０ｍｍのＰｔ電極３３，３４を形成する。

図１２（ｂ）は、スピントロニクスデバイスを用いた情報伝達方法の説明図であり、Ｐｔ電極３３にパルス信号を印加すると、Ｐｔ電極３３にパルス電流が流れ、スピンホール効果により、このパルス電流の方向に直交する方向にパルス純スピン流が生ずる。Ｐｔ電極３３／ＹＩＧ層３２界面においてこのパルス純スピン流によりＹＩＧ層３２中にパルス純スピン流の変化に対応して位相が変化したスピン波スピン流が発生する。

このスピン波スピン流はＹＩＧ膜３２中を輸送されてＰｔ電極３４に達し、ＹＩＧ層３２／Ｐｔ電極３４界面におけるによってＰｔ電極３４内に、スピン波スピン流の位相変化に応じたパルス純スピン流が生ずる。このパルス純スピン流に起因して、逆スピンホール効果によりＰｔ電極３４内においてパルス純スピン流に直交する方向にパルス電流が発生し、Ｐｔ電極３４の両端においてパルス電圧として検出される。

この場合、ＹＩＧ膜３２中におけるスピン輸送はパルス波スピン流により、伝導電子が関与していないので、スピンの摩擦によるエネルギー散逸がなく、数ｍｍ以上、例えば、メートルオーダーの距離の情報伝達が可能になる。

特に、スピン波スピン流によるスピン輸送は、直流や低周波数帯ではスピンが応答しづらく、ＧＨｚオーダーの高周波帯において高効率で行われるので、ＧＨｚオーダーの高周波帯における情報伝達として有効となる。

次に、図１３を参照して、本発明の実施例２のスピントロニクスデバイスを説明する。図１３は、本発明の実施例２のスピントロニクスデバイスの概念的構成図であり、ＧＧＧ単結晶基板３１上にスパッタ法を用いて厚さが、例えば、１００ｎｍのＰｄＰｔＭｎ反強磁性層３５を堆積させる。このＰｄＰｔＭｎ反強磁性層３５の堆積に際して面内の試料の幅方向に磁場を印加しておく。

次いで、ＰｄＰｔＭｎ反強磁性層３５上に、再び、スパッタ法を用いて厚さが、例えば、５０ｎｍのＹ₃ Ｆｅ₄ ＧａＯ₁₂組成のＹＩＧ層３２を形成し、その上に厚さが、例えば、１０ｎｍのＰｔ膜をマスクスパッタ法で堆積することによって、幅が１．０ｍｍで、間隔が５．０ｍｍのＰｔ電極３３，３４を形成する。

この場合、ＹＩＧ層３２を構成する多結晶の各グレインの磁化方向はＰｄＰｔＭｎ反強磁性層３５により固定されて方向が揃うので、外部磁界により磁化方向を揃えることなくスピン輸送を行うことが可能になる。なお、この実施例２における情報伝達方法及びその原理は上記の実施例１と全く同様である。

以上、本発明の実施の形態及び各実施例を説明したが、本発明は実施の形態及び各各実施例に記載された構成・条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。例えば、上記の各実施例においては、スピン輸送によって情報伝達を行っているが、スピン輸送によって電流輸送、即ち、エネルギー輸送を行っても良い。

上述のように、スピン流は電流と直交する方向に流れるので、磁性誘電体の幅を大きくすることによって、スピン流量を大きくすることができ、大型化によるオームの法則に基づく抵抗増大による損失の増大を伴うことなく電流を輸送することができる。

また、上記の各実施例においては、スピントロニクスデバイスそのものとして説明しているが、このようなスピントロニクスデバイスを半導体集積回路内に組み込んで三次元立体回路網を構成しても良い。この場合、スピン輸送媒体となる磁性誘電体として反強磁性誘電体を用いることによって、半導体デバイスの動作に対して磁性誘電体の磁性が影響を及ぼすことがない。

本発明の活用例としては、情報伝達手段としてのスピントロニクスデバイスが典型的なものであるが、電流輸送或いはエネルギー輸送手段としても適用されるものである。

ＹＩＧ（Ｙ₃ Ｆｅ₅ Ｏ₁₂）の結晶構造図である。本発明の実施の形態に用いる試料の製造工程の説明図である。ＹＩＧ膜の特性の説明図である。ＹＩＧ／Ｐｔ接合における逆スピンホール効果の検証結果の説明図である。ＹＩＧ膜のみの参考試料における逆スピンホール効果の検証結果の説明図である。逆スピンホール効果の面内角度依存性の説明図である。逆スピンホール効果の面外角度依存性の説明図である。逆スピンホール効果の物質依存性の説明図である。図８の結果に基づいた出力電圧Ｖの物質ごとのマイクロ波電力依存性の説明図である。スピンホール効果を用いた金属から磁性誘電体へのスピン輸送の検証結果の説明図である。出力電圧Ｖの電流極性依存性の説明図である。本発明の実施例１のスピントロニクスデバイスの説明図である。本発明の実施例２のスピントロニクスデバイスの概念的構成図である。スピン波スピン流の模式的説明図である。

符号の説明

１１ＧＧＧ単結晶基板
１２ＭＯＤ溶液
１３酸化物層
１４ＹＩＧ層
１５Ｐｔ膜
１６電圧計
１７出力電極
２１ＹＩＧ層
２２，２３Ｐｔ電極
３１ＧＧＧ単結晶基板
３２ＹＩＧ層
３３，３４Ｐｔ電極
３５ＰｄＰｔＭｎ反強磁性層

Claims

磁性誘電体層と、前記磁性誘電体層上に設けられたＰｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｂｉ、またはそれらの合金、或いは、ｆ軌道を有する元素のいずれかからなる少なくとも一つの金属電極とを備え、前記磁性誘電体層と前記金属電極との界面でスピン波スピン流−純スピン流の交換を行うスピントロニクスデバイス。
前記金属電極が少なくとも２個設けられ、１つの金属電極が前記磁性誘電体層へスピン波スピン流を注入するスピン流注入電極であり、他の少なくとも１つの金属電極が前記磁性誘電体層からのスピン波スピン流を電流として取り出す出力電極である請求項１記載のスピントロニクスデバイス。
前記磁性誘電体層が、強磁性誘電体或いは反強磁性誘電体のいずれかからなる請求項１または２に記載のスピントロニクスデバイス。
前記磁性誘電体層が強磁性誘電体からなるとともに、前記磁性誘電体層が該磁性誘電体層の磁化方向を固定する反強磁性層上に設けられたものである請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスピントロニクスデバイス。
前記強磁性誘電体が、Ｙ₃ Ｆｅ_5-xＧａ_x Ｏ₁₂（但し、ｘ＜５）からなる請求項１乃至４のいずれか１項に記載のスピントロニクスデバイス。
磁性誘電体層上にＰｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｂｉ、またはそれらの合金、或いは、ｆ軌道を有する元素のいずれかからなる少なくとも一対の金属電極を設け、前記一対の金属電極の一方に信号電流を流すことによって前記磁性誘電体層中に信号電流に対応したスピン波スピン流を注入し、前記一対の金属電極の他方において、前記磁性誘電体層中を輸送されたスピン波スピン流によって純スピン流を生起し、前記純スピン流と直交する方向に信号電流を取り出す情報伝送方法。