JP5551912B2 - スピントロニクス装置及び論理演算素子 - Google Patents

Description

本発明は、スピン流を用いたスピントロニクス装置、及びこのスピントロニクス装置を用いた論理演算素子に関する。

電子のスピンは、スピノール空間において「上向き」又は「下向き」の２つの値のみをもつ。多くの個別のスピンは、すべて上向き又は下向きになり、材料が磁性をもつ原因になる。近年、電子のスピンの特性を活用して生まれるスピン依存伝導現象の理解が進み、電子がもっている電荷を活用した半導体装置に代わり、電子スピンの性質を積極的に利用したスピントロニクス装置の開発が急速に進んでいる（特許文献１参照。）。従来の半導体装置の特性が電荷の通路又は格納によって決まるのに対して、スピントロニクス装置はそれに付属するスピンの量子力学特性によって決まる。特に、情報を大容量で高速に処理することができるスピントロニクス装置などが開発のターゲットとなっている。又、最近では、漏れ磁場や熱・エネルギー損失の問題を低減できることから、伝導電子スピンと局在電子スピンの間に働くスピントルクを利用するスピントロニクス装置が注目され、外部磁場を用いない磁化方向制御技術が確立されつつある。

このスピントロニクス装置の実現の鍵を握る主役として、電荷の流れを伴う「スピン偏極電流」と電荷の流れを伴わない「スピン流」が知られている。金属強磁性体内では、自発磁化の原因が伝導電子のスピン状態によるため、電流を流すだけでスピン偏極電流が発生する。一方、非磁性体に電流を流しても、スピン軌道相互作用による散乱で、電流に対して垂直方向にスピン流が生成する現象が「スピンホール効果」として知られており、強磁性体を使わない新しいスピン流の生成手法として、近年、非常に注目されている（非特許文献１参照。）。ここで、スピン流とは、磁気モーメントの輸送現象のうち、個別粒子の移動は伴うが電荷の輸送を伴わないものを指す。

導体に電流を流して磁場をかけると、流れる電子は磁場に対して垂直方向のローレンツ力を受け、運動方向が曲げられる。この現象はホール効果とよばれ、電子工学の様々なセンサーに応用されてきた。スピンホール効果は、粒子の電荷ではなく、粒子にもともと備わっている角運動量（スピン）に由来して起きる。荷電粒子のスピンは磁場を作り出す。スピンホール効果は、古典的なホール効果と対をなす現象であり、試料に電場をかけると、こうしたスピン磁気モーメントをもつ粒子の軌道が電場に垂直な方向に曲げられる。例えば、白金（Ｐｔ）や金（Ａｕ）などの貴金属中を流れる電流には１／２スピンの電子と−１／２スピンの電子の割合がそれぞれ５０％ずつ含まれているが、スピン軌道相互作用によって散乱されるとき、１／２スピンの電子と−１／２スピンの電子が互いに反対方向に散乱され、互いに対向して蓄積されることを利用する。１／２スピンと−１／２スピンの電子が、一定距離を隔てて互いに対向して蓄積される結果、スピンホール効果によって、流している電流方向に対して垂直方向に、電荷の流れのない純粋なスピン流が生成する。

電荷の流れとしての電流は、キャリアの衝突までの平均自由行程によって表される散逸を受ける。これに対し、スピン流は電子の不純物やフォノンとの衝突の際に散乱を受けにくいため、スピン拡散長は平均自由行程よりかなり長いので弾道輸送（バリスティック輸送）も比較的容易になる。しかも、スピン流の舞台は、磁性体である必要はなく、非磁性の金属でも半導体でもよいので各種電子デバイスへの応用が可能である。しかしながら、スピン軌道相互作用はクーロン相互作用のような電気的相互作用よりも２桁以上弱いため、散乱確率が小さくなるので、従来のスピンホール効果による電流−スピン流変換効率が低い。そのため、従来のスピンホール効果によっては、高強度のスピン流が得られにくく、又スピン流が持続できる長さも数１００ｎｍ程度以下に限られるという不都合があった。

特開２００３−１８８３９０号公報

Ｌ．ヴィラ（Vila）等,「白金線中のホール効果の考察（Evolution of the Spin Hall Effect in Pt Nanowires）：サイズ及び温度の効果（Size and Temperature Effects)」，フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett.)，第９９巻、 ｐ．２２６６０４ （２００７年）

本発明は、電流−スピン流変換効率が高く、高強度のスピン流が得られるスピントロニクス装置、及びこのスピントロニクス装置を用いた論理演算素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、（ａ）互いに平行に対向する第１端面及び第２端面を有し、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有しながらも互いに異符号の電荷を有することから、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域と、（ｂ）第１端面に設けられ、スピン偏極された第１導電型キャリアをスピン流生成領域に注入する強磁性体からなる第１主電極と、（ｃ）第２端面に設けられ、第２導電型キャリアをスピン流生成領域に注入する第２主電極とを備えるスピントロニクス装置であることを要旨とする。この第１の態様に係るスピントロニクス装置では、第１端面に垂直な面に直交する方向の磁場のローレンツ力により、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとを同一方向に輸送されるように偏向して、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアの電荷を互いに相殺し、スピン流生成領域においてスピン流を得ることを特徴とする。

本発明の第２の態様は、（ａ）互いに平行に対向する第１端面及び第２端面を有し、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有しながらも互いに異符号の電荷を有することから、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域と、（ｂ）第１端面に設けられ、スピン偏極された第１導電型キャリアをスピン流生成領域に注入する強磁性体からなる第１主電極と、（ｃ）第２端面に設けられ、第２導電型キャリアをスピン流生成領域に注入する第２主電極と、（ｄ）第１端面に直交するスピン流生成領域の出力側面に設けられた、強磁性体からなる検出電極とを備える論理演算素子であることを要旨とする。この第２の態様に係る論理演算素子では、第１端面に垂直な面に直交する方向の磁場のローレンツ力により、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとを共に出力側面に向かう方向に輸送されるように偏向して、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアの電荷を互いに相殺し、検出電極の磁化の方向を入力信号、第１主電極と検出電極との間の抵抗を出力信号とすることを特徴とする。

本発明の第３の態様は、（ａ） 互いに平行に対向する第１端面及び第２端面を有し、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有しながらも互いに異符号の電荷を有することから、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域と、（ｂ）第１端面に設けられ、スピン偏極された第１導電型キャリアをスピン流生成領域に注入する強磁性体からなる第１主電極と、（ｃ）第２端面に設けられ、スピン偏極された第２導電型キャリアをスピン流生成領域に注入する強磁性体からなる第２主電極と、（ｄ）第１端面に直交するスピン流生成領域の出力側面に設けられた、強磁性体からなる検出電極とを備える論理演算素子であることを要旨とする。この第３の態様に係る論理演算素子では、第１端面に垂直な面に直交する方向の磁場のローレンツ力により、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとを共に出力側面に向かう方向に輸送されるように偏向して、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアの電荷を互いに相殺し、第１主電極の磁化の方向を第１の入力信号、第２主電極の磁化の方向を第２の入力信号、第１主電極と第２主電極との間の抵抗を出力信号とすることを特徴とする。

本発明によれば、電流−スピン流変換効率が高く、高強度のスピン流が得られるスピントロニクス装置、及びこのスピントロニクス装置を用いた論理演算素子を提供できる。

本発明の第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置の構成を説明する模式図である。 本発明の第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置の動作を示す表である。 本発明の第２の実施の形態に係るスピントロニクス装置の構成を説明する模式図である。 本発明の第３の実施の形態に係る論理演算素子の状態遷移を説明する真理値表である。 本発明の第４の実施の形態に係る論理演算素子の構成を説明する模式図である。 本発明の第４の実施の形態に係る論理演算素子の状態遷移を説明する真理値表である。 本発明の第５の実施の形態に係る論理演算素子の構成を説明する模式図である。 本発明の第５の実施の形態に係る論理演算素子の基礎とする状態遷移を説明する真理値表である。 本発明の第６の実施の形態に係る論理演算素子の構成を説明する模式図である。 本発明の第６の実施の形態に係る論理演算素子の基礎とする状態遷移を説明する真理値表である。 本発明の第７の実施の形態に係る高強度のスピン流を発生可能なスピントロニクス装置の構成を説明する模式図である。 「フェルミ面」を説明するために運動量空間を模式的に示す図である。 ２９５Ｋにおける各種材料のホール係数Ｒ_Ｈの絶対値を比較して示す表である。 水素化イットリウム（ＹＨ_x：１．７＜ｘ＜２．１）の２９５Ｋ及び７７Ｋにおけるホール係数Ｒ_Ｈと比抵抗との関係を説明するグラフである。 本発明の他の実施の形態に係るスピン注入型発光ダイオード（ＬＥＤ）の概略の構造を説明する模式的な鳥瞰図である。 本発明の更に他の実施の形態に係るスピン注入型高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の概略の構造を説明する模式的な鳥瞰図である。 本発明の更に他の実施の形態に係る論理集積回路の概略の構造を説明する模式的な鳥瞰図である。

次に、図面を参照して、本発明の第１〜第７の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。例えば、図１，図３，図５、図７及び図９等において、スピン流生成領域３０の各図の縦方向に測られる厚さ（第１端面と第２端面との間の距離）は、便宜上誇張した大きさで図示されており、現実の厚さはスピン拡散長を考慮すると図示よりも薄い方が好ましいトポロジーがあり得るので、厚みと平面寸法との関係は現実のものとは異なり得ることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

又、以下に示す第１〜第７の実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置は、図１に示すように、第１導電型キャリアと第２導電型キャリア（電子と正孔）とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなる直方体状のスピン流生成領域３０、スピン流生成領域３０の端面（第１端面）に金属学的に接合され、強磁性体からなり、スピン偏極電流をスピン流生成領域３０に注入する第１主電極２０、第１端面に平行に対向する端面（第２端面）に金属学的に接合され、非磁性体の導体からなる第２主電極４０、第１端面及び第２端面と直交する側面（出力側面）の中央部に金属学的に接合され、第１主電極２０より小さな保磁力を有する強磁性体からなる検出電極５０を有するスピン流変換素子１０と、スピン流変換素子１０の第１主電極２０と第２主電極４０との間に直流のバイアス電圧を印加する直流電源６とを備える。本発明において「ホール係数がゼロ」とは、ホール係数Ｒ_Ｈが、１．５×１０^‐11ｍ³／Ｃ以下の小さな値であり、実質的に「ホール係数がゼロ」が見なせればよい。

第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置は、第１主電極２０の電位を示すノードＮ１と、検出電極５０の電位を示すノードＮ２との間に図示を省略した電圧計等の電位測定手段を更に備えており、電位測定手段が測定する電圧の変化により、スピン流変換素子１０の電流−スピン流変換したスピン流を検出する。即ち、第１主電極２０と検出電極５０との間の抵抗値の変化を検出して、スピン流生成領域３０で電流−スピン流変換したスピン流の有無を検出する。

図１３に２９５Ｋにおける各種材料のホール係数Ｒ_Ｈを示すが、ホール係数Ｒ_Ｈが１．５×１０^‐11ｍ³／Ｃ以下で実質的にゼロと見なせるような小さな値の材料は限られている。第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置のスピン流生成領域３０に用いる材料としては、水素化イットリウム（ＹＨ_x（１．７＜ｘ＜２．１）が好適である。図１４に示すように、２９５Ｋ及び７７Ｋにおいて、ＹＨ_xの比抵抗が６．０×１０^‐7Ωｍ以下であれば、ＹＨ_xのホール係数Ｒ_Ｈは１．５×１０^‐11ｍ³／Ｃ以下の値となる。Ｈ／Ｙ比が１．７〜２．１の範囲にあるＹＨ_xは、同一の結晶構造とほぼ同じ格子定数をもつので、スピン流生成領域３０に用いる材料として利用可能であるが、特に、ｘ＝２．０の化学量論的組成に近いＹＨ_xが、実質的にホール係数をゼロと見なす上で好ましい。ＹＨ_xの他、第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置のスピン流生成領域３０に用いる材料としては、ＹＨ₂（イットリウム二水素化物）と酷似した電子構造もつ水素化スカンジウム（ＳｃＨ₂：スカンジウム二水素化物）、水素化ランタン（ＬａＨ₂：ランタン二水素化物）等の希土類水素化物等を採用可能である。

「フェルミ面」とは固体中の伝導電子の取り得る運動エネルギーの最大値を、図１２に示すような運動量空間で表示するものである。フェルミ面の曲率において正値と負値の領域がほぼ均等に分布し、曲率の平均値がゼロであれば、磁場に垂直な面内で互いに逆方向に注入された第１導電型キャリア及び第２導電型キャリア（電子及び正孔）は、電子濃度Ｎ_e＝正孔濃度Ｎ_h、且つ電子移動度μ_e＝正孔移動度μ_hとなるので、正孔及び電子がそれぞれローレンツ力の働く方向（Ｘ方向）に運ぶ総電荷量は相殺される。

即ちフェルミ面の曲率の平均値が実質的にゼロであれば、ホール係数が実質的にゼロとなり、通常のホール効果におけるホール電圧が消失する。このため、正孔及び電子がホール電場から受ける力がなくなり、ローレンツ力との釣り合いがなくなる。よって、磁場に垂直な面内で互いに逆方向に注入された正孔及び電子が共にローレンツ力の働く方向（Ｘ方向）に流れ、ローレンツ力の働く方向（Ｘ方向）に流れる電荷の流れは０となる。このとき、正孔あるいは電子に対し、予め、スピン偏極させておけば、ローレンツ力の働く方向（Ｘ方向）に向かうスピン流が生成できる。このようなスピン流は磁場が印加できる領域ならばどこでも発生するものであるから、その持続長をナノスケールから巨視的スケールまで任意の長さにできるという特徴をもつ。

図１においては、スピン流生成領域３０は、第１主電極２０、スピン流生成領域３０、第２主電極４０及び検出電極５０がなす平面に垂直な方向（Ｚ方向）に磁場Ｂ_Ｈが印加されている場合が例示的に示されているが、図１においては、第１主電極２０は、磁場Ｂ_Ｈに平行な方向（Ｚ方向）に磁化Ｍ_Ａを固定した磁化固定電極であるとする。検出電極５０は、磁場Ｂ_Ｈに対して平行又は反平行（Ｚ方向又は−Ｚ方向）のいずれにも自在に磁化Ｍ_Ｃを有することが可能な磁化自由電極として構成している。検出電極５０のみが制御用磁場Ｂ_INによって磁化Ｍ_Ｃを反転可能な磁化自由電極として作用させるため、磁化固定電極である第１主電極２０は、保磁力Ｂ_Ｃ（Ａ）が例えば３００ｍＴ程度以上の強磁性体、検出電極５０は、保磁力Ｂ_Ｃ（Ｃ）が例えば２５０ｍＴ程度以上２８０ｍＴ程度以下の強磁性体から構成するのが好ましい。このとき、｜Ｂ_Ｃ（Ｃ）｜＜｜Ｂ_Ｃ（Ａ）｜となるように第１主電極２０及び検出電極５０の材料と形状・サイズを選び、｜Ｂ_Ｃ（Ｃ）｜＜｜Ｂ_IN｜＜｜Ｂ_Ｃ（Ａ）｜となるような制御用磁場Ｂ_INを印加することにより、磁化Ｍ_Ｃのみを変化させ、磁化自由電極として機能させ、第１主電極２０を磁化固定電極として機能させることができる。このため、例えば、第１主電極２０の形状を、アスペクト比が１：５程度の矩形平板状とし、検出電極５０の形状を、アスペクト比が１：４程度の矩形平板状として、それぞれの長辺が制御用磁場Ｂ_INに対して平行になるように配置すればよい。保磁力を｜Ｂ_Ｃ（Ｃ）｜＜｜Ｂ_Ｃ（Ａ）｜とするために、電極の平面パターンは矩形の代わりに平行四辺形にしても可能であるし、勿論合金の組成によって調整することも可能である。又、第１主電極２０及び検出電極５０は、共に比抵抗が１．０×１０^‐6Ωｍ以下とすることが好ましい。第１主電極２０及び検出電極５０を構成する強磁性体として、例えばＣｏ_xＦｅ_yＮｉ_z（ｘ＝０．２〜０．７，ｙ＝０．２〜０．４，ｚ＝０．１〜０．２）のようなコバルト・鉄・ニッケル合金等を含む種々の強磁性体が採用可能である。第１主電極２０及び検出電極５０を結晶性の強磁性体とする場合は磁化容易軸となる結晶軸方位をスピン流生成領域３０の第１端面、及びこの第１端面と直交する側面（出力側面）に対して垂直となるようにそれぞれ選ぶのが好ましい。強磁性体が立方晶系であれば、［１００］，［０１０］，［−１００］，［０−１０］方向が磁化容易軸となる。

図１に示すように、スピン流変換素子１０の第１主電極２０をカソード、第２主電極４０をアノードとして、直流電源６から直流のバイアス電圧を印加すると、第１主電極２０においてスピン偏極された電子（第１導電型キャリア）がスピン流生成領域３０に注入され、スピン流生成領域３０中を第２主電極４０に向かう方向（−Ｙ方向）に進行する。又、第２主電極４０からは正孔（第２導電型キャリア）がスピン流生成領域３０に注入され、スピン流生成領域３０中を第１主電極２０に向かう方向（Ｙ方向）に進行する。

第１主電極２０から注入されたスピン偏極された電子（第１導電型キャリア）、第２主電極４０から注入された正孔（第２導電型キャリア）は、スピン流生成領域３０において、それぞれ検出電極５０に向かう方向（Ｘ方向）に作用するローレンツ力を磁場Ｂ_Ｈの下で受けて、検出電極５０に向かう方向（Ｘ方向）に湾曲して進行する。電子と正孔の移動度が等しいときそれぞれに作用するローレンツ力の大きさが等しく、且つ検出電極５０へ向かう正孔とスピン偏極された電子の数がほぼ等しい場合、両キャリアが運ぶ総電荷量は０となり、スピン流生成領域３０内に、検出電極５０へ向かう方向（Ｘ方向）にスピン流が生成する。

図２の表に示すように、検出電極５０の磁化Ｍ_Ｃが、第１主電極２０の磁化Ｍ_Ａと同方向（Ｚ方向）にしておけば、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積は生じず、第１主電極２０、検出電極５０間の抵抗値は変化しない。このとき、ノードＮ１−Ｎ２間の検出電圧Ｖ_２＝Ｖ_UUとする（図２において、Ｚ方向の磁化を上向きの矢印、−Ｚ方向を下向きの矢印で示す。）。一方、検出電極５０の磁化Ｍ_Ｃを、第１主電極２０の磁化Ｍ_Ａと逆方向（−Ｚ方向）にすると、スピン流があれば、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積が生じ、第１主電極２０、検出電極５０間の抵抗値が増加し、このときの検出電圧Ｖ_２＝Ｖ_UD＞Ｖ_UUとなるので、スピン流の有無を判定することができる。なお、第１主電極２０の磁化Ｍ_Ａと同方向（Ｚ方向）の磁場Ｂ_Ｈは、キャリアに作用するローレンツ力を生成すると共に、キャリアのスピン偏極の緩和を防ぐ。

第２主電極４０を強磁性金属に置き換えることにより、アノードからもスピン偏極された正孔（第２導電型キャリア）の移動を通じてスピンを注入できる。このとき、磁場Ｂ_Ｈは注入された正孔スピンの緩和を防ぐと共に、正孔注入方向（Ｙ方向）に対して垂直方向（Ｘ方向）にローレンツ力を作用させ、正孔スピンの流れを発生させる。この正孔スピンの流れがスピン偏極された電子（第１導電型キャリア）の流れと合流することによって、スピン流の流量を増強することが可能である。

なお、スピン流生成領域３０の形状は直方体に限定されるものではなく、第１端面と第２端面とが平行で、出力側面が第１端面と第２端面に対し互いに垂直であり、正孔及び電子がローレンツ力によって円弧状に軌道を変更する輸送経路が確保できるトポロジーであれば、第１端面と出力側面との間に凹部や穴部等を有する形状、或いは第２端面と出力側面との間に凹部や穴部等を有する形状等であっても、第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置のスピン流生成領域３０として許容され得る。

（第２の実施の形態）
図１に示す第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置はバイアス電圧が直流の場合について例示的に説明したが、図３に示すように２つの検出電極５１ａ，５１ｂをスピン流生成領域３０を挟み込むように配置することによって、バイアス電圧が交流の場合であってもスピン流の検出を行うことが可能である。

即ち、本発明の第２の実施の形態に係るスピントロニクス装置は、図３に示すように、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなる直方体状のスピン流生成領域３０、スピン流生成領域３０の端面に金属学的に接合され、強磁性体からなり、スピン偏極電流をスピン流生成領域３０に注入する第１主電極２０、スピン流生成領域３０の第１主電極２０が配置された端面（第１端面）と対向する端面（第２端面）に金属学的に接合され、非磁性体の導体からなる第２主電極４０、スピン流生成領域３０の第１主電極２０が配置された端面と直交する一方の側面（第１出力側面）の中央部に金属学的に接合され、第１主電極２０より小さな保磁力を有する強磁性体からなる第１の検出電極５１ａ、第１の検出電極５１ａと電気的に短絡され、第１出力側面に対向する他方の側面（第２出力側面）に金属学的に接合され、第１の検出電極５１ａと同一の強磁性体からなる第２の検出電極５１ｂを有するスピン流変換素子１１と、スピン流変換素子１１の第１主電極２０と第２主電極４０との間に交流電圧を印加する交流電源７とを備える。

スピン流生成領域３０は、第１主電極２０、スピン流生成領域３０、第２主電極４０、第１の検出電極５１ａ及び第２の検出電極５１ｂがなす平面に垂直な方向（Ｚ方向）に磁場Ｂ_Ｈが印加されている。スピン流生成領域３０中に注入された正孔と電子は、磁場Ｂ_Ｈと交流電源７からの交流電流によって、第１の検出電極５１ａに向かう方向（−Ｘ方向）に働くローレンツ力、第２の検出電極５１ｂに向かう方向（Ｘ方向）に働くローレンツ力を交互に受ける。

第２の実施の形態に係るスピントロニクス装置は、第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置と同様に第１主電極２０が、磁場Ｂ_Ｈに平行な方向（Ｚ方向）に磁化Ｍ_Ａを有する場合について例示的に説明する。第１の検出電極５１ａ及び第２の検出電極５１ｂは、それぞれ同一方向の磁化Ｍ_Ｃを有しており、磁化Ｍ_Ｃの方向は、制御用磁場によって、磁化Ｍ_Ａに対して平行又は反平行（Ｚ方向又は−Ｚ方向）に任意（自由）に設定可能である。

第２の実施の形態に係るスピントロニクス装置は、第１主電極２０の電位を示すノードＮ１、第１の検出電極５１ａ及び第２の検出電極５１ｂからそれぞれ引き出され、互いに接合されたノードＮ２は、それぞれロックイン増幅器（ロックインアンプ）９に接続されており、ノードＮ３の電圧をロックインアンプにおける位相検波の参照信号として使用し、ノードＮ１−Ｎ２間の交流電圧の変化をロックイン増幅器９で測定することにより、第１主電極２０と、第１の検出電極５１ａ及び第２の検出電極５１ｂとの間の抵抗値の変化を検出できる。

第１の実施の形態で説明したように、磁化Ｍ_Ｃが、磁化Ｍ_Ａと平行（Ｚ方向）の場合、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積は生じず、ノードＮ１−Ｎ２間の抵抗値は変化しない。磁化Ｍ_Ｃが、磁化Ｍ_Ａと反平行（−Ｚ方向）の場合、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積が生じ、ノードＮ１−Ｎ２間の抵抗値が増加する。磁化Ｍ_Ｃ、磁化Ｍ_Ａが互いに平行の場合の検出電圧Ｖ_２＝Ｖ_UU、反平行な場合の検出電圧Ｖ_２＝Ｖ_UDとすると、スピン流生成領域３０中にスピン流が生成される場合はＶ_UU＜Ｖ_UD、スピン流が生成されない場合はＶ_UU＝Ｖ_UDの関係が成り立つ。このことを利用して、スピン流の有無を判定することができる。

なお、スピン流生成領域３０の形状は直方体に限定されるものではなく、第１端面と第２端面とが平行、第１出力側面が第１端面と第２端面に対し互いに垂直、第２出力側面が第１端面と第２端面に対し互いに垂直であり、正孔及び電子がローレンツ力によって円弧状に軌道を変更する輸送経路が確保できるトポロジーであれば、第１端面と第１出力側面との間に凹部や穴部等を有する形状、第２端面と第１出力側面との間に凹部や穴部等を有する形状、第２端面と第２出力側面との間に凹部や穴部等を有する形状、第１端面と第２出力側面との間に凹部や穴部等を有する形状のような、種々の形状が第２の実施の形態に係るスピントロニクス装置のスピン流生成領域３０として許容され得る。

（第３の実施の形態：ＮＯＴ）
図１に示す第１の実施の形態に係るスピン流変換素子１０は、入力信号に応じて所定の論理演算を行う論理演算素子として利用することが可能である。

例えば、第１の実施の形態に係るスピン流変換素子１０を、本発明の第３の実施の形態に係る論理演算素子としては、磁化の方向を入力信号＝０，１とし否定（ＮＯＴ）の出力信号を出力するＮＯＴゲートとして用いることが可能である。

図４に、第３の実施の形態に係る論理演算素子の真理値表を示すように、検出電極５０の磁化Ｍ_Ｃが、第１主電極２０の磁化Ｍ_Ａに平行（Ｚ方向：上向き）の場合が入力信号＝１と定義し、検出電極５０の磁化Ｍ_Ｃが、第１主電極２０の磁化Ｍ_Ａに反平行（−Ｚ方向：下向き）の場合が入力信号＝０と定義する（図４において、Ｚ方向の磁化を上向きの矢印、−Ｚ方向を下向きの矢印で示す。）。入力信号＝０，１の設定、即ち、検出電極５０の磁化Ｍ_Ｃの方向の設定は、外部磁場を用いればよい。

外部磁場を用いる代わりに、検出電極５０にスピン注入することによるスピン注入磁化反転効果を用いれば、磁場を用いなくても磁化の方向を制御して入力信号＝０，１の設定が可能である。スピン注入磁化反転効果を用いる場合は検出電極５０を、磁性薄膜で非磁性薄膜をサンドイッチした構造にし、印加した高密度電流の向きによって磁化の配列(平行・反平行)を制御すればよい。スピン注入磁化反転効果は伝導電子が一方の磁性層から他方の磁性層を通過して流れるとき、スピン角運動量を他方の磁性層へ受け渡す(スピントランスファー効果)によって引き起こされる。即ち、スピン注入磁化反転効果は他方の磁性層にトルクを与えることにより、磁化の向きを反転させる。或いは、検出電極５０をＧａ_1-xＭｎ_xＡｓ等のIII−Ｖ族磁性半導体で構成し、検出電極５０に円偏光を照射してスピン偏極キャリアを生成し、スピン偏極に応じた方向に磁化を回転させるようにしてもよい。

図４の真理値表に示すように、入力信号が１の場合、出力電圧Ｖ_２は、スピン流生成領域３０で発生させたスピン流によって、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積が生じないので、ノードＮ１−Ｎ２間の抵抗値は変化せず、出力電圧Ｖ_２の値がロウレベル（＝０）になる。一方、入力信号が０の場合、出力電圧Ｖ_２は、スピン流生成領域３０で発生させたスピン流によって、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積が生じるので、ノードＮ１−Ｎ２間の抵抗値が増加し、出力電圧Ｖ_２の値がハイレベル（＝１）になる。

このように、本発明の第３の実施の形態に係る論理演算素子は、ハイレベル（＝１）の入力信号を反転してロウレベル（＝０）の出力信号を出力し、ロウレベル（＝０）の入力信号を反転してハイレベル（＝１）の出力信号を出力するインバータ（ＮＯＴゲート）として動作する。

第３の実施の形態に係る論理演算素子は、入力信号としての磁化の方向を保持することができるため、検出電極５０の磁化Ｍ_Ｃの方向を反転させるまで、検出電極５０に継続して外部磁場を与えずに、一定の出力が可能である。

（第４の実施の形態：ＸＯＲ）
本発明の第４の実施の形態に係る論理演算素子１２は、図５に示すように、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなる直方体状のスピン流生成領域３０と、スピン流生成領域３０の端面に金属学的に接合され、スピン偏極電流をスピン流生成領域３０に注入する、強磁性体の磁化自由電極である第１主電極２２と、スピン流生成領域３０の第１主電極２２が配置された端面と対向する端面に金属学的に接合され、非磁性体の導体からなる第２主電極４０と、スピン流生成領域３０の第１主電極２２が配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合され、第１主電極２２より小さな保磁力を有する強磁性体からなる検出電極５０とを備える。

第４の実施の形態に係る論理演算素子１２は、第１主電極２２の磁化Ｍ_Ａの方向を第１入力信号Ａ＝０，１、検出電極５０の磁化Ｍ_Ｃの方向を第２入力信号Ｃ＝０，１とし、図６の真理値表に示されたような排他的論理和（ＸＯＲ）の出力信号を出力するＸＯＲゲートである。

スピン流生成領域３０は、第１主電極２２、スピン流生成領域３０、第２主電極４０及び検出電極５０がなす平面に垂直な方向（Ｚ方向）に磁場Ｂ_Ｈが印加されるが、図５及び図６に示すように、第１主電極２２の磁化Ｍ_Ａが、磁場Ｂ_Ｈと平行（Ｚ方向）の場合の第１入力信号Ａを１とし、反平行（−Ｚ方向）の場合の第１入力信号Ａを０とする。同様に、検出電極５０の磁化Ｍ_Ｃが、磁化Ｍ_Ａと平行（Ｚ方向）の場合の第２入力信号Ｃを１、反平行（−Ｚ方向）の場合の第２入力信号Ｃを０とする（図６において、Ｚ方向の磁化を上向きの矢印、−Ｚ方向を下向きの矢印で示す。）。

図６に真理値表を示すように、第４の実施の形態に係る論理演算素子１２においては、第１入力信号Ａが１、第２入力信号Ｃが１の場合は、スピン流生成領域３０で発生させたスピン流によって、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積が生じないので、ノードＮ１−Ｎ２間の抵抗値は変化せず、出力電圧Ｖ_２の値がロウレベル（＝０）になる。

第１入力信号Ａが１、第２入力信号Ｃが０の場合は、スピン流生成領域３０で発生させたスピン流によって、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積が生じるので、ノードＮ１−Ｎ２間の抵抗値が増加し、出力電圧Ｖ_２の値がハイレベル（＝１）になる。

第１入力信号Ａが０、第２入力信号Ｃが１の場合は、第１主電極２２からスピン流生成領域３０に下向き（−Ｚ方向）にスピン偏極された電子が注入され、スピン偏極された電子は、第２主電極４０から注入される正孔とで、検出電極５０に向かうスピン流となる。検出電極５０は、上向き（Ｚ方向）の磁化Ｍ_Ｃを有しているので、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積が生じる。よってノードＮ１−Ｎ２間の抵抗値は増加し、出力電圧Ｖ_２の値がハイレベル（＝１）となる。

第１入力信号Ａが０、第２入力信号Ｃが０の場合は、第１主電極２２からスピン流生成領域３０に、下向き（−Ｚ方向）にスピン偏極された電子が注入され、スピン偏極された電子は、第２主電極４０から注入される正孔とで、検出電極５０に向かうスピン流となる。検出電極５０は、下向き（−Ｚ方向）の磁化Ｍ_Ｃを有しているので、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積は生じず、出力電圧Ｖ_２の値がロウレベル（＝０）となる。

（第５の実施の形態：ＮＡＮＤ）
本発明の第５の実施の形態に係る論理演算素子（１３，Ｒ₂）は、図７に示すように、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなる直方体状のスピン流生成領域３０、スピン流生成領域３０の端面に金属学的に接合され、スピン偏極電子電流をスピン流生成領域３０に注入する、強磁性体からなる磁化自由電極である第１主電極（ソース電極）２３、スピン流生成領域３０の第１主電極２３が配置された端面と対向する端面に金属学的に接合され、第１主電極２３より大きな保磁力を有し、スピン偏極正孔電流をスピン流生成領域３０に注入する、強磁性体からなる磁化自由電極である第２主電極（ドレイン電極）４３、スピン流生成領域３０の第１主電極２３が配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合され、第２主電極４３より大きな保磁力を有する強磁性体からなる磁化固定電極である検出電極５３を有するスピン流変換素子１３と、スピン流変換素子１３に第１主電極２３を介して直列接続された出力抵抗Ｒ_２と、出力抵抗Ｒ_２の一端と第２主電極４３との間に一定の直流のバイアス電圧Ｖを印加する直流電源６とを備える。第５の実施の形態に係る論理演算素子（１３，Ｒ₂）は、出力抵抗Ｒ_２の両端の電圧を出力電圧Ｖ_２とすることにより、第１主電極２２の磁化Ｍ_Ａの方向を第１入力信号Ａ＝０，１、第２主電極４３の磁化Ｍ_Ｂの方向を第２入力信号Ｂ＝０，１とし、図８に示された論理積（ＡＮＤ）の真理値表を反転した出力信号を出力抵抗Ｒ_２の両端から出力電圧として出力するする否定論理積（ＮＡＮＤ）ゲートである。図８のＡＮＤの真理値表において、Ｚ方向の磁化を上向きの矢印、−Ｚ方向を下向きの矢印で示す。

スピン流生成領域３０には、第１主電極２３、スピン流生成領域３０、第２主電極４３、検出電極５３がなす平面に垂直な方向（Ｚ方向）に磁場Ｂ_Ｈが印加されている。スピン流生成領域３０中に注入された正孔と電子は、磁場Ｂ_Ｈと直流電源６からの直流バイアスによって、検出電極５３に向かう方向（Ｘ方向）に働くローレンツ力を受ける。

第１主電極２３は、磁場Ｂ_Ｈに対して平行又は反平行方向（Ｚ方向又は−Ｚ方向）に磁化Ｍ_Ａの方向を任意（自由に）設定可能である。第２主電極４３は、磁化Ｍ_Ａに対して平行又は反平行方向（Ｚ方向又は−Ｚ方向）に磁化Ｍ_Ｂの方向を任意（自由に）設定可能である。検出電極５３は、磁場Ｂ_Ｈに対して反平行（−Ｚ方向）に磁化Ｍ_Ｃの方向を固定している。磁化Ｍ_Ａ及び磁化Ｍ_Ｂは、それぞれ外部から印加する制御用磁場によって、方向を反転される。

第１主電極２３の保磁力Ｂ_Ｃ（Ａ）は、第２主電極４３保磁力Ｂ_Ｃ（Ｂ）よりも小さいので、第１入力信号Ａとしての磁化Ｍ_Ａの方向及び第２入力信号Ｂとしての磁化Ｍ_Ｂの方向を設定するために、第１主電極２３及び第２主電極４３へ磁場を印加する際は、保磁力の大きな第２主電極４３の磁化Ｍ_Ｂを形成する磁場を印加した後、第１主電極２３の磁化Ｍ_Ａを形成する磁場を印加するような２段階のプロセスを用いる必要がある。その際、検出電極５３の磁化Ｍ_Ｃの方向が制御用磁場Ｂ_INによって反転しないように、検出電極５３の保磁力Ｂ_Ｃ（Ｃ）を一番大きく設定しておく必要がある。

即ち、第１主電極２３の保磁力Ｂ_Ｃ（Ａ）は例えば２４０ｍＴ程度以上２６０ｍＴ程度以下の強磁性体、第２主電極４３の保磁力Ｂ_Ｃ（Ｂ）は例えば２７０ｍＴ程度以上２９０ｍＴ程度以下の強磁性体、検出電極５３の保磁力Ｂ_Ｃ（Ｃ）は例えば３００ｍＴ程度以上の強磁性体から構成することが好ましい。保磁力の調整は、スピン生成領域３０に対する各電極の平面パターンを矩形にし、そのアスペクト比を変えることによって、あるいは、平面パターンを平行四辺形にすることによっても可能である。また、合金の組成によって調整することも可能である。この場合、｜Ｂ_Ｃ（Ｂ）｜＜｜Ｂ_IN｜＜｜Ｂ_Ｃ（Ｃ）｜となるような制御用磁場Ｂ_INを印加し、磁化Ｍ_Ｂの方向を任意（自由に）設定した後、｜Ｂ_Ｃ（Ａ）｜＜｜Ｂ_IN｜＜｜Ｂ_Ｃ（Ｂ）｜となるような制御用磁場Ｂ_INを印加し、磁化Ｍ_Ａの方向を任意（自由に）設定すればよい。第１入力信号Ａとしての磁化Ｍ_Ａの方向及び第２入力信号Ｂとしての磁化Ｍ_Ｂの方向を設定は、外部磁場を用いてもよく、スピン注入磁化反転効果を用いてもよい。又、第１主電極２３、第２主電極４３、検出電極５３は、それぞれ比抵抗が１．０×１０^‐6Ωｍ以下とすることが好ましい。第１主電極２３、第２主電極４３、検出電極５３を構成する物質として、例えばＣｏ_xＦｅ_yＮｉ_z（ｘ＝０．２〜０．７，ｙ＝０．２〜０．４，ｚ＝０．１〜０．２）のような、コバルト・鉄・ニッケル合金等の種々の強磁性体が採用可能である。

第５の実施の形態に係る論理演算素子（１３，Ｒ₂）においては、第１入力信号Ａが１、第２入力信号Ｂが１の場合は、第１主電極（ソース電極）２３から上向き（Ｚ方向）にスピン偏極された電子がスピン流生成領域３０に注入され、第２主電極（ドレイン電極）４３から上向き（Ｚ方向）にスピン偏極された正孔がスピン流生成領域３０に注入されるが、検出電極５３が下向き（−Ｚ方向）に磁化Ｍ_Ｃの方向を固定しているので、スピン流生成領域３０で発生させたスピン流は検出電極５３に流れにくくなり、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積を生じる。このため、第１主電極（ソース電極）２３と第２主電極（ドレイン電極）４３間の抵抗は、図８の真理値表に示されるように、ハイインピーダンス（＝１）になる。よって、出力抵抗Ｒ_２の一端と第２主電極４３との間に印加される直流電源６のバイアス電圧Ｖが一定ならば、出力抵抗Ｒ_２の両端の電圧として測られる出力電圧Ｖ_２は、ロウレベル（＝０）になる。

一方、第１入力信号Ａが１、第２入力信号Ｂが０の場合は、ソース電極２３から上向き（Ｚ方向）にスピン偏極された電子がスピン流生成領域３０に注入され、ドレイン電極４３から下向き（−Ｚ方向）にスピン偏極された正孔がスピン流生成領域３０に注入されるが、検出電極５３が下向きに磁化Ｍ_Ｃの方向を固定しているので、スピン流生成領域３０で発生させたスピン偏極電子電流は検出電極５３に流れにくいが、スピン偏極正孔電流は検出電極５３に流れ易いので、ソース電極２３とドレイン電極４３間の抵抗は、図８の真理値表に示されるように、ロウインピーダンス（＝０）になる。よって、直流電源６のバイアス電圧Ｖが一定ならば、出力抵抗Ｒ_２の両端の出力電圧Ｖ_２は、ハイレベル（＝１）になる。

又、第１入力信号Ａが０、第２入力信号Ｂが０の場合は、ソース電極２３から下向き（−Ｚ方向）にスピン偏極された電子がスピン流生成領域３０に注入され、ドレイン電極４３から下向き（−Ｚ方向）にスピン偏極された正孔がスピン流生成領域３０に注入されるが、検出電極５３が下向きに磁化Ｍ_Ｃの方向を固定しているので、スピン流生成領域３０で発生させたスピン偏極電子電流及びスピン偏極正孔電流は共に検出電極５３に流れ易いので、ソース電極２３とドレイン電極４３間の抵抗は、図８の真理値表に示されるように、ロウインピーダンス（＝０）になる。よって、バイアス電圧Ｖが一定ならば、出力抵抗Ｒ_２の両端の出力電圧Ｖ_２は、ハイレベル（＝１）になる。

更に、第１入力信号Ａが０、第２入力信号Ｂが１の場合は、ソース電極２３から下向き（−Ｚ方向）にスピン偏極された電子がスピン流生成領域３０に注入され、ドレイン電極４３から上向き（Ｚ方向）にスピン偏極された正孔がスピン流生成領域３０に注入されるが、検出電極５３が下向きに磁化Ｍ_Ｃの方向を固定しているので、スピン偏極正孔電流は検出電極５３に流れにくいが、スピン偏極電子電流は検出電極５３に流れ易いので、ソース電極２３とドレイン電極４３間の抵抗は、図８の真理値表に示されるように、ロウインピーダンス（＝０）になる。よって、バイアス電圧Ｖが一定ならば、出力抵抗Ｒ_２の両端の出力電圧Ｖ_２は、ハイレベル（＝１）になる。

（第６の実施の形態：ＯＲ）
本発明の第６の実施の形態に係る論理演算素子（１３，Ｒ₂）は、図９に示すように、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなる直方体状のスピン流生成領域３０、スピン流生成領域３０の端面に金属学的に接合され、スピン偏極電子電流をスピン流生成領域３０に注入する、強磁性体からなる磁化自由電極である第１主電極（ソース電極）２３、スピン流生成領域３０の第１主電極２３が配置された端面と対向する端面に金属学的に接合され、第１主電極２３より大きな保磁力を有し、スピン偏極正孔電流をスピン流生成領域３０に注入する、強磁性体からなる磁化自由電極である第２主電極（ドレイン電極）４３、スピン流生成領域３０の第１主電極２３が配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合され、第２主電極４３より大きな保磁力を有する強磁性体からなる磁化固定電極である検出電極５３を有するスピン流変換素子１３と、スピン流変換素子１３に第１主電極２３を介して直列接続された出力抵抗Ｒ_２と、出力抵抗Ｒ_２の一端と第２主電極４３との間に一定の直流のバイアス電圧Ｖを印加する直流電源６とを備える。第６の実施の形態に係る論理演算素子（１３，Ｒ₂）は、出力抵抗Ｒ_２の両端の電圧を出力電圧Ｖ_２とすることにより、第１主電極２２の磁化Ｍ_Ａの方向を第１入力信号Ａ＝０，１、第２主電極４３の磁化Ｍ_Ｂの方向を第２入力信号Ｂ＝０，１とし、図１０に示された否定論理和（ＮＯＲ）の真理値表を反転した出力信号を出力抵抗Ｒ_２の両端から出力電圧として出力するする論理和（ＯＲ）ゲートである。図１０のＮＯＲの真理値表において、Ｚ方向の磁化を上向きの矢印、−Ｚ方向を下向きの矢印で示す。

スピン流生成領域３０は、第１主電極２３、スピン流生成領域３０、第２主電極４３、検出電極５３がなす平面に垂直な方向（Ｚ方向）に磁場Ｂ_Ｈが印加されている。スピン流生成領域３０中に注入された正孔と電子は、磁場Ｂ_Ｈと直流電源６からの直流バイアスによって、検出電極５３に向かう方向（Ｘ方向）に働くローレンツ力を受ける。

第１主電極２３は、磁場Ｂ_Ｈに対して平行又は反平行方向（Ｚ方向又は−Ｚ方向）に磁化Ｍ_Ａの方向を任意（自由に）設定可能である。第２主電極４３は、磁化Ｍ_Ａに対して平行又は反平行方向（Ｚ方向又は−Ｚ方向）に磁化Ｍ_Ｂの方向を任意（自由に）設定可能である。検出電極５３は、磁場Ｂ_Ｈに対して平行（Ｚ方向）に磁化Ｍ_Ｃの方向を固定している点が、第５の実施の形態と異なる。磁化Ｍ_Ａ及び磁化Ｍ_Ｂは、それぞれ外部から印加する制御用磁場によって、方向を反転される。

第５の実施の形態で説明したのと同様に、第１主電極２３の保磁力Ｂ_Ｃ（Ａ）は、第２主電極４３保磁力Ｂ_Ｃ（Ｂ）よりも小さいので、第１入力信号Ａとしての磁化Ｍ_Ａの方向及び第２入力信号Ｂとしての磁化Ｍ_Ｂの方向を設定するために、第１主電極２３及び第２主電極４３へ磁場を印加する際は、保磁力の大きな第２主電極４３の磁化Ｍ_Ｂを形成する磁場を印加した後、第１主電極２３の磁化Ｍ_Ａを形成する磁場を印加するような２段階のプロセスを用いる必要がある。その際、検出電極５３の磁化Ｍ_Ｃの方向が制御用磁場Ｂ_INによって反転しないように、検出電極５３の保磁力Ｂ_Ｃ（Ｃ）を一番大きく設定しておき、Ｂ_Ｃ（Ｂ）｜＜｜Ｂ_IN｜＜｜Ｂ_Ｃ（Ｃ）｜となるような制御用磁場Ｂ_INを印加し、磁化Ｍ_Ｂの方向を任意（自由に）設定した後、｜Ｂ_Ｃ（Ａ）｜＜｜Ｂ_IN｜＜｜Ｂ_Ｃ（Ｂ）｜となるような制御用磁場Ｂ_INを印加し、磁化Ｍ_Ａの方向を任意（自由に）設定すればよい。

第６の実施の形態に係る論理演算素子（１３，Ｒ₂）においては、第１入力信号Ａが１、第２入力信号Ｂが１の場合は、第１主電極（ソース電極）２３から上向き（Ｚ方向）にスピン偏極された電子がスピン流生成領域３０に注入され、第２主電極（ドレイン電極）４３から上向き（Ｚ方向）にスピン偏極された正孔がスピン流生成領域３０に注入されるが、検出電極５３が上向き（Ｚ方向）に磁化Ｍ_Ｃの方向を固定しているので、スピン流生成領域３０で発生させたスピン偏極電子電流及びスピン偏極正孔電流は共に検出電極５３に流れ易いので、第１主電極（ソース電極）２３と第２主電極（ドレイン電極）４３間の抵抗は、図１０の真理値表に示されるように、ロウインピーダンス（＝０）になる。よって、出力抵抗Ｒ_２の一端と第２主電極４３との間に印加される直流電源６のバイアス電圧Ｖが一定ならば、出力抵抗Ｒ_２の両端の電圧として測られる出力電圧Ｖ_２は、ハイレベル（＝１）になる。

一方、第１入力信号Ａが１、第２入力信号Ｂが０の場合は、ソース電極２３から上向き（Ｚ方向）にスピン偏極された電子がスピン流生成領域３０に注入され、ドレイン電極４３から下向き（−Ｚ方向）にスピン偏極された正孔がスピン流生成領域３０に注入されるが、検出電極５３が上向きに磁化Ｍ_Ｃの方向を固定しているので、スピン流生成領域３０で発生させたスピン偏極正孔電流は検出電極５３に流れにくいが、スピン偏極電子電流は検出電極５３に流れ易いので、ソース電極２３とドレイン電極４３間の抵抗は、図１０の真理値表に示されるように、ロウインピーダンス（＝０）になる。よって、直流電源６のバイアス電圧Ｖが一定ならば、出力抵抗Ｒ_２の両端の出力電圧Ｖ_２は、ハイレベル（＝１）になる。

又、第１入力信号Ａが０、第２入力信号Ｂが０の場合は、ソース電極２３から下向き（−Ｚ方向）にスピン偏極された電子がスピン流生成領域３０に注入され、ドレイン電極４３から下向き（−Ｚ方向）にスピン偏極された正孔がスピン流生成領域３０に注入されるが、検出電極５３が上向きに磁化Ｍ_Ｃの方向を固定しているので、スピン流生成領域３０で発生させたスピン偏極電子電流及びスピン偏極正孔電流はいずれも検出電極５３に流れにくいので、ソース電極２３とドレイン電極４３間の抵抗は、図１０の真理値表に示されるように、ハイインピーダンス（＝１）になる。よって、バイアス電圧Ｖが一定ならば、出力抵抗Ｒ_２の両端の出力電圧Ｖ_２は、ロウレベル（＝０）になる。

更に、第１入力信号Ａが０、第２入力信号Ｂが１の場合は、ソース電極２３から下向き（−Ｚ方向）にスピン偏極された電子がスピン流生成領域３０に注入され、ドレイン電極４３から上向き（Ｚ方向）にスピン偏極された正孔がスピン流生成領域３０に注入されるが、検出電極５３が上向きに磁化Ｍ_Ｃの方向を固定しているので、スピン偏極電子電流は検出電極５３に流れにくいが、スピン偏極正孔電流は検出電極５３に流れ易いので、ソース電極２３とドレイン電極４３間の抵抗は、図１０の真理値表に示されるように、ロウインピーダンス（＝０）になる。よって、バイアス電圧Ｖが一定ならば、出力抵抗Ｒ_２の両端の出力電圧Ｖ_２は、ハイレベル（＝１）になる。

（第７の実施の形態）
本発明の第７の実施の形態に係るスピントロニクス装置は、図１１に示すように、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第１のスピン流生成領域３４-1、第１のスピン流生成領域３４-1の一方の端面に金属学的に接合され、スピン偏極電流を第１のスピン流生成領域３４-1に注入する強磁性体からなる第１の第１主電極２４-1、第１のスピン流生成領域３４-1の第１の第１主電極２４-1が配置された端面と対向する端面に金属学的に接合され、非磁性体の導体からなる第1の第２主電極４４-1、第１のスピン流生成領域３４-1の第１の第１主電極２４-1が配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合され、強磁性体からなる磁化固定電極である第１の検出電極５４-1を備える第１のスピン流変換素子１４-1と；第１のスピン流生成領域３４-1と第１の検出電極５４-1を介して接続されるように、第１のスピン流生成領域３４-1と並列に配置され、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第２のスピン流生成領域３４-2、第２のスピン流生成領域３４-2の一方の端面に金属学的に接合され、スピン偏極電流を第２のスピン流生成領域３４-2に注入する強磁性体からなる第２の第１主電極２４-2、第２のスピン流生成領域３４-2の第２の第１主電極２４-2が配置された端面と対向する端面に金属学的に接合され、非磁性体の導体からなる第1の第２主電極４４-2、第２のスピン流生成領域３４-2の第２の第１主電極２４-2が配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合され、強磁性体からなる磁化固定電極である第２の検出電極５４-2を備える第２のスピン流変換素子１４-2と；第２のスピン流生成領域３４-2と第２の検出電極５４-2を介して接続されるように、第１のスピン流生成領域３４-1，第２のスピン流生成領域３４-2と並列に配置され、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第３のスピン流生成領域３４-3、第３のスピン流生成領域３４-3の一方の端面に金属学的に接合され、スピン偏極電流を第３のスピン流生成領域３４-3に注入する強磁性体からなる第３の第１主電極２４-3、第３のスピン流生成領域３４-3の第３の第１主電極２４-3が配置された端面と対向する端面に金属学的に接合され、非磁性体の導体からなる第1の第２主電極４４-3、第３のスピン流生成領域３４-3の第３の第１主電極２４-3が配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合され、強磁性体からなる磁化固定電極である第３の検出電極５４-3を備える第３のスピン流変換素子１４-3と；……；第（ｎ−１）のスピン流生成領域（図示省略）と第（ｎ−１）の検出電極（図示省略）を介して接続されるように、第１のスピン流生成領域３４-1，第２のスピン流生成領域３４-2，第３のスピン流生成領域３４-3，…，第（ｎ−１）のスピン流生成領域と並列に配置され、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第ｎのスピン流生成領域３４-n、第ｎのスピン流生成領域３４-nの一方の端面に金属学的に接合され、スピン偏極電流を第ｎのスピン流生成領域３４-nに注入する強磁性体からなる第ｎの第１主電極２４-n、第ｎのスピン流生成領域３４-nの第ｎの第１主電極２４-nが配置された端面と対向する端面に金属学的に接合され、非磁性体の導体からなる第1の第２主電極４４-n、第ｎのスピン流生成領域３４-nの第ｎの第１主電極２４-nが配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合され、強磁性体からなる磁化固定電極である第ｎの検出電極５４-nを備える第ｎのスピン流変換素子１４-nと；このようにタンデムに多段接続された複数のスピン流変換素子１４-1〜１４-nがそれぞれ備える第１主電極２４-1〜２４-nと第２主電極４４-1〜４４-nとの間にそれぞれ直流のバイアス電圧を並列的に印加する直流電源５とを備え、高強度のスピン流を発生する。

図１１に示すように、タンデムに多段接続された複数のスピン流変換素子１４-1〜１４-nは、複数のスピン流変換素子１４-1〜１４-nがそれぞれ備える第１主電極２４-1〜２４-n、スピン流生成領域３４-1〜３４-n、第２主電極４４-1〜４４-n及び検出電極５４-1〜５４-nがなす平面に垂直な方向（Ｚ方向）に磁場Ｂ_Ｈが印加されるとき、第１主電極２４-1〜２４-nは、磁場Ｂ_Ｈに平行（Ｚ方向）にそれぞれ磁化Ｍ_Ａの方向を有し、検出電極５４-1〜５４-nは、磁化Ｍ_Ａの方向に対して平行（Ｚ方向）にそれぞれ磁化Ｍ_Ｃの方向を有する。

第１主電極２４-1〜２４-n及び検出電極５４-1〜５４-nは、好ましくは、共に保磁力が３００ｍＴ程度以上の強磁性体から構成することができ、比抵抗が１．０×１０^‐6Ωｍ以下とすることが好ましい。第１主電極２４-1〜２４-n及び検出電極５４-1〜５４-nを構成する物質として、例えばＣｏ_xＦｅ_yＮｉ_z（ｘ＝０．２〜０．７，ｙ＝０．２〜０．４，ｚ＝０．１〜０．２）のような、コバルト・鉄・ニッケル合金等の種々の強磁性体が採用可能である。

図１１に示すように、タンデムに多段接続された複数のスピン流変換素子１４-1〜１４-nのそれぞれの第１主電極２４-1〜２４-nをカソード、それぞれの第２主電極４４-1〜４４-nをアノードとして、直流電源５から直流のバイアス電圧をそれぞれに印加すると、第１主電極２４-1〜２４-nにおいて上向き（Ｚ方向）にスピン偏極された電子が、それぞれのスピン流生成領域３４-1〜３４-nに注入され、それぞれのスピン流生成領域３４-1〜３４-n中を第２主電極４４-1〜４４-nに向かう方向にそれぞれ進行する。又、それぞれの第２主電極４４-1〜４４-nからは正孔がスピン流生成領域３４-1〜３４-nにそれぞれ注入され、それぞれのスピン流生成領域３４-1〜３４-n中を第１主電極２４-1〜２４-nに向かう方向にそれぞれ進行する。

それぞれのスピン流生成領域３４-1〜３４-nにおいて、第１主電極２４-1〜２４-nからそれぞれ注入された上向き（Ｚ方向）にスピン偏極された電子、第２主電極４４-1〜４４-nから注入された正孔は、磁場Ｂ_Ｈによるローレンツ力を受けて、それぞれ第１のスピン流変換素子１４-1から第ｎのスピン流変換素子１４-nへ向かう方向（Ｘ方向）にそれぞれ湾曲し、第１のスピン流変換素子１４-1から第ｎのスピン流変換素子１４-nへ向かう方向（Ｘ方向）にそれぞれ進行する。上向き（Ｚ方向）に磁化Ｍ_Ｃの方向を固定したそれぞれの検出電極５４-1〜５４-nへ向かう正孔と上向き（Ｚ方向）にスピン偏極された電子の数はほぼ等しいので、両キャリアが運ぶ総電荷量は０と考えることができ、それぞれのスピン流生成領域３４-1〜３４-n内に、それぞれ上向き（Ｚ方向）の磁化Ｍ_Ｃの有する検出電極５４-1〜５４-nへ向かって、Ｘ方向にそれぞれスピン流が生成する。

即ち、第１の第１主電極２４-1から上向き（Ｚ方向）にスピン偏極されて第１のスピン流生成領域３４-1に注入された電子は、第１の検出電極５４-1が上向き（Ｚ方向）に磁化Ｍ_Ｃの方向を固定しているので、第１の検出電極５４-1に電荷の流れを伴わずに流れ込める。このため、第２のスピン流生成領域３４-2においては、第２の第１主電極２４-2から上向き（Ｚ方向）にスピン偏極されて第２のスピン流生成領域３４-2に注入された電子と、第１の検出電極５４-1を介して第２のスピン流生成領域３４-2に注入された第１のスピン流生成領域３４-1からのスピン流とが重畳される。重畳されたスピン流は、第２の検出電極５４-2が上向き（Ｚ方向）に磁化Ｍ_Ｃの方向を固定しているので、第２の検出電極５４-2に電荷の流れを伴わずに流れ込める。このため、第３のスピン流生成領域３４-3においては、第３の第１主電極２４-3から上向き（Ｚ方向）にスピン偏極されて第３のスピン流生成領域３４-3に注入された電子と、第２の検出電極５４-2を介して第３のスピン流生成領域３４-3に注入された第１のスピン流生成領域３４-1及び第２のスピン流生成領域３４-2からのスピン流とが重畳される。重畳されたスピン流は第３の検出電極５４-3に電荷の流れを伴わずに流れ込める。同様にして、第ｎのスピン流生成領域３４-nにおいては、第ｎの第１主電極２４-nから上向き（Ｚ方向）にスピン偏極されて第ｎのスピン流生成領域３４-nに注入された電子と、第（ｎ−１）の検出電極（図示省略）を介して第ｎのスピン流生成領域３４-nに注入された第１のスピン流生成領域３４-1，第２のスピン流生成領域３４-2，第３のスピン流生成領域３４-3，…，第（ｎ−１）のスピン流生成領域（図示省略）からのスピン流とが重畳される。このようにして、タンデムに多段接続された複数のスピン流生成領域３４-1〜３４-n内でそれぞれ発生したスピン流は、第１のスピン流変換素子１４-1から第ｎのスピン流変換素子１４-nにかけて次第に重畳され強度を増す。高強度のスピン流は、第ｎのスピン流変換素子１４-nの第ｎの検出電極５４-nから、図示を省略した外部装置に出力される。

図１１に示す第７の実施の形態に係るスピントロニクス装置においては、タンデムに多段接続された複数のスピン流変換素子１４-1〜１４-nがそれぞれ備える第１主電極２４-1〜２４-nの磁化Ｍ_Ａと、検出電極５４-1〜５４-nの磁化Ｍ_Ｂとはそれぞれ互いに平行であるので、すべてのスピン流変換素子１４-1〜１４-nにおいてスピン蓄積は生じず、検出電極５４-1〜５４-nを介してスピン流をタンデムに逐次重畳して増幅し、電荷の流れを伴わずに高強度のスピン流を発生させることができる。

磁場Ｂ_Ｈは、キャリアにホール効果をもたらすと同時に、キャリアのスピン偏極を維持させることができる。それぞれの第２主電極４４-1〜４４-nを強磁性体からなる電極にすることによってより強度の大きなスピン流を電荷の流れを伴わずにそれぞれ発生させることもできる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１〜第７の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、本発明の第１の実施の形態においては、図１に示したスピン流生成領域３０に設けた検出電極５０により電気的にスピン流を検出したが、図１５に示すように検出電極５０代わりに発光ダイオードを設けて、発光ダイオードの出力光から光学的にスピン流を検出してもよい。即ち、図１５に示す本発明の他の実施の形態に係るスピン注入型発光ダイオードは、ＧａＡｓ基板６１と、ＧａＡｓ基板６１の上に設けられたｐ型ＧａＡｓコンタクト層６２と、ＧａＡｓコンタクト層６２の上に設けられたｐ型のＡｌＧａＡｓクラッド層６３、ＡｌＧａＡｓクラッド層６３の上に設けられたｉ型ＧａＡｓ活性層６４、ＧａＡｓ活性層６４の上に設けられたｎ型のＡｌＧａＡｓクラッド層６５、ＡｌＧａＡｓクラッド層６５の上に設けられたｎ型のＩｎＧａＡｓコンタクト層６６と、ＧａＡｓコンタクト層６２に接続したｐ側オーミック電極（アノード電極）６８と、ＩｎＧａＡｓコンタクト層６６がなす凸部の頂部に接続したスピン流変換素子（３０，５８，５９）とを備え、スピン流変換素子（３０，５８，５９）からＩｎＧａＡｓコンタクト層６６へスピン流を注入する。ｐ側オーミック電極６８は、ＩｎＧａＡｓコンタクト層６６の表面からＡｌＧａＡｓクラッド層６５，活性層６４，ＡｌＧａＡｓクラッド層６３を貫通して設けられた溝部（凹部）の底部にｐ型ＧａＡｓコンタクト層６２を露出させ、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層６２とオーミック接触するように形成されている。

スピン流変換素子（３０，５８，５９）は、図１５に示すように、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなる直方体状のスピン流生成領域３０、スピン流生成領域３０の端面に金属学的に接合され、スピン偏極正孔電流をスピン流生成領域３０に注入する強磁性体からなる第１主電極５８、スピン流生成領域３０の第１主電極５８が配置された端面と対向する端面に金属学的に接合され、スピン偏極電子電流をスピン流生成領域３０に注入する強磁性体からなる第２主電極５９を備え、スピン流生成領域３０からＩｎＧａＡｓコンタクト層６６へスピン流を注入する。このため、第１主電極５８と第２主電極５９との間には直流電源６が接続され、直流電源６により直流のバイアス電圧が印加される。第１主電極５８と第２主電極５９とはそれぞれＬ型形状をなし、それぞれスピン流生成領域３０を介して対向するキャリア注入面と、このキャリア注入面に連続し、ＩｎＧａＡｓコンタクト層６６がなす凸部を挟む凹部の上に設けられた絶縁膜６７上に設けられた台座部とを備える。このため、第１主電極５８及び第２主電極５９は絶縁膜６７によって、ＩｎＧａＡｓコンタクト層６６とは電気的に絶縁されている。活性層６４の主面に平行、且つ第１主電極５８及び第２主電極５９のキャリア注入面に平行方向に磁場が印加され、第１主電極５８からスピン偏極された正孔が、第２主電極５９からスピン偏極された電子がスピン流生成領域３０に注入され、ＩｎＧａＡｓコンタクト層６６がなす凸部の頂部をなす平面に垂直にスピン流が注入される。第２主電極５９とｐ側オーミック電極６８との間には主電源４が接続され、第２主電極５９はスピン注入型発光ダイオードのｎ側オーミック電極（カソード電極）として機能している。

ｐ型のＡｌＧａＡｓクラッド層６３は、発光領域を形成するｐｉｎ接合のｐ側を構成する。又、ｐ型とするために、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）、亜鉛（Ｚｎ）といった不純物が添加されている。活性層６４は、発光領域の中心となる領域を形成する層で故意には不純物をドープしていないＧａＡｓ層、即ち実質的に真性半導体の層である。ｎ型のＡｌＧａＡｓクラッド層６５は、発光領域を形成するｐｉｎ接合のｎ側を構成する。ｐ型のＡｌＧａＡｓクラッド層６３及びｎ型のＡｌＧａＡｓクラッド層６５のバンドギャップが、活性層６４のバンドギャップよりも大きくなるよう決められているので、活性層６４へ注入されるキャリアの量を多くし、発光強度を向上させることができる。本発明の他の実施の形態に係るスピン注入型発光ダイオードによれば、スピン流変換素子（３０，５８，５９）からＩｎＧａＡｓコンタクト層６６へスピン流を注入することにより、活性層６４から円偏光をもつ光を取り出すことができる。このため、スピン流変換素子（３０，５８，５９）が注入するスピンをスピン流生成領域３０に印加する磁場及び第１主電極５８と第２主電極５９との間に印加するバイアス電圧の少なくとも一方を制御することにより、活性層６４から出力される光に含まれる光のスピン偏極度を変調することができる。スピン注入型発光ダイオードにおいては、発光に寄与するのは、活性層６４へ注入される電子であるので、発光ダイオードそのものの動作としてみた場合は、純粋なスピン流ではなく、電荷の流れを伴うスピン偏極電流がその動作の主体となるが、スピン流注入素子としてのスピン流変換素子（３０，５８，５９）の観点から本発明の趣旨は理解できるであろう。

図１６に示すように、本発明の更に他の実施の形態に係るスピン注入型高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）は、ＧａＡｓ基板７１と、ＧａＡｓ基板７１の上に設けられたＧａＡｓバッファ層７２と、ＧａＡｓバッファ層７２の上に設けられたＩｎＧａＡｓチャネル層７３、ＩｎＧａＡｓチャネル層７３の上に設けられたＡｌＧａＡｓスペーサ層７４、ＡｌＧａＡｓスペーサ層７４の上に設けられたｎ型のＡｌＧａＡｓ電子供給層７５、ＡｌＧａＡｓ電子供給層７５の上にＡｌＧａＡｓ電子供給層７５の一部を露出して部分的に設けられたｎ型のＧａＡｓコンタクト層７６と、ＧａＡｓコンタクト層７６にオーミック接触し、強磁性体からなるドレイン電極８５と、ＡｌＧａＡｓ電子供給層７５が露出した部分に設けられたゲート電極８４と、ＩｎＧａＡｓチャネル層７３に接続したスピン流変換素子（３０，８１，８３）が形成されている。ＩｎＧａＡｓチャネル層７３とＡｌＧａＡｓスペーサ層７４との界面に面したＩｎＧａＡｓチャネル層７３の表面には縮退した２次元電子層が形成される。図示を省略しているが、図１６の左側部分において、ＩｎＧａＡｓチャネル層７３はリッジ形状をなし、ＧａＡｓバッファ層７２の一部を露出している。そして、リッジ形状をなす凸部を挟む両側の凹部には、絶縁膜８６が設けられている（図１６では、手前側の絶縁膜８６のみが示されている。）。スピン流変換素子（３０，８１，８３）は、ＡｌＧａＡｓ電子供給層７５の表面から，ＡｌＧａＡｓスペーサ層７４を貫通して設けられた溝部（凹部）の底部にＩｎＧａＡｓチャネル層７３のリッジ形状をなす凸部の頂部を露出させ、リッジ形状部分においてＩｎＧａＡｓチャネル層７３とオーミック接触するように形成されている。スピン流変換素子（３０，８１，８３）は、図１６に示すように、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなる直方体状のスピン流生成領域３０、スピン流生成領域３０の端面に金属学的に接合され、スピン偏極電子電流をスピン流生成領域３０に注入する強磁性体からなる第１主電極８１、スピン流生成領域３０の第１主電極８１が配置された端面と対向する端面に金属学的に接合され、スピン偏極正孔電流をスピン流生成領域３０に注入する強磁性体からなる第２主電極８３を備える。第１主電極８１と第２主電極８３との間には直流電源６により直流のバイアス電圧が印加される。第１主電極８１と第２主電極８３とはそれぞれＬ型形状をなし（図１６では、手前側の第２主電極８３のみがＬ型形状をなすことを示されている。）、それぞれスピン流生成領域３０を介して対向するキャリア注入面と、このキャリア注入面に連続し、ＩｎＧａＡｓチャネル層７３がリッジ形状をなす凸部を挟む絶縁膜８６上に設けられた台座部とを備える。このため、第１主電極８１及び第２主電極８３は、ＩｎＧａＡｓチャネル層７３のなすリッジ形状部以外の箇所では、絶縁膜８６によって、ＩｎＧａＡｓチャネル層７３とは電気的に絶縁されている。ＩｎＧａＡｓチャネル層７３の主面に平行、且つ第１主電極８１及び第２主電極８３のキャリア注入面に平行方向に磁場が印加され、第１主電極８１からスピン偏極された電子が、第２主電極８３からスピン偏極された正孔がスピン流生成領域３０に注入され、ＩｎＧａＡｓチャネル層７３がなすリッジ形状部の頂部をなす平面に垂直にスピン流が注入され、ＩｎＧａＡｓチャネル層７３の表面の縮退した２次元電子層中をスピンが輸送される。スピン偏極された電子を注入する第１主電極８１は、スピン注入型ＨＥＭＴのソース電極として機能している。

本発明の更に他の実施の形態に係るスピン注入型ＨＥＭＴにおいて、縮退した２次元電子層中をスピンが輸送される時間をスピン反転時間（スピン緩和時間）より小さくなるような寸法に選べば、スピンの弾道輸送をすることができる。縮退した２次元電子層中に上向きスピンの電子を注入した場合、一定の寿命時間の間はスピン偏極が緩和されずに、縮退した２次元電子層中を通り抜け、スピンがドレイン電極８５に到達する。ドレイン電極８５の磁化が上向きに設定されていれば、上向きスピンの電子はＩｎＧａＡｓチャネル層７３からドレイン電極８５進入することができる。これがドレイン電流となる。一方、ドレイン電極８５が下向きに磁化しておいた場合は、縮退した２次元電子層を走ってきた上向きスピンの電子は、ドレイン電極８５に入ることを阻止される。

又、ＩｎＧａＡｓチャネル層７３が比較的長ければ、縮退した２次元電子層に注入されたスピン偏極電子は，界面電界に起因するスピン軌道相互作用によって、縮退した２次元電子層を輸送中にスピンの向きが変わり得る。スピン流変換素子（３０，８１，８３）から上向きスピンの電子を注入して、注入された電子のスピンがπだけ変化すると輸送が抑えられ、２πだけ回転して元に戻ると輸送できる。スピンの回転角は、ゲート電極８４ゲート電極８４の電圧によっても制御することが可能である。

このため、スピン流変換素子（３０，８１，８３）が注入するスピンをスピン流生成領域３０に印加する磁場及び第１主電極８１と第２主電極８３との間に印加するバイアス電圧の少なくとも一方を制御することにより、縮退した２次元電子層中を輸送され、ドレイン電極８５から取り出されるスピン偏極度を変調することができる。スピン注入型ＨＥＭＴにおいては、ゲート電極８４を介した増幅に寄与するのは、縮退した２次元電子層中を輸送される電子であるので、ＨＥＭＴそのものの動作としてみた場合は、純粋なスピン流ではなく、電荷の流れを伴うスピン偏極電流がその動作の主体となるが、縮退した２次元電子層中へスピンを注入するスピン流注入素子としてのスピン流変換素子（３０，８１，８３）の観点から本発明の趣旨は理解できるであろう。

図１７に示す本発明の更に他の実施の形態に係る論理集積回路は、図１６に示したスピン注入型ＨＥＭＴにおいて、ＩｎＧａＡｓチャネル層７３に第１のスピン流変換素子（３０ａ，８１ａ，８３ａ）及び第２のスピン流変換素子（３０ｂ，８１ｂ，８３ｂ）とを並列接続した構成に対応する。図１６に示したのと同様に、ＩｎＧａＡｓチャネル層７３とＡｌＧａＡｓスペーサ層７４との界面に面したＩｎＧａＡｓチャネル層７３の表面には縮退した２次元電子層が形成され、図１７の左側部分において、ＩｎＧａＡｓチャネル層７３はリッジ形状をなし、ＧａＡｓバッファ層７２の一部を露出し、リッジ形状をなす凸部を挟む両側の凹部には、絶縁膜８６が設けられている。第１のスピン流変換素子（３０ａ，８１ａ，８３ａ）及び第２のスピン流変換素子（３０ｂ，８１ｂ，８３ｂ）は、ＡｌＧａＡｓ電子供給層７５の表面から，ＡｌＧａＡｓスペーサ層７４を貫通して設けられた溝部（凹部）の底部にＩｎＧａＡｓチャネル層７３のリッジ形状をなす凸部の頂部を露出させ、リッジ形状部分においてＩｎＧａＡｓチャネル層７３と並列にオーミック接触するように形成されている。

第１のスピン流変換素子（３０ａ，８１ａ，８３ａ）は、図１７に示すように、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第１のスピン流生成領域３０ａ、第１のスピン流生成領域３０ａの端面に金属学的に接合され、スピン偏極電子電流を第１のスピン流生成領域３０ａに注入する強磁性体からなる第１の第１主電極８１ａ、第１のスピン流生成領域３０ａの第１の第１主電極８１ａが配置された端面と対向する端面に金属学的に接合され、スピン偏極正孔電流を第１のスピン流生成領域３０ａに注入する強磁性体からなる第１の第２主電極８３ａを備える。第１の第１主電極８１ａと第１の第２主電極８３ａとの間には第１の直流電源６ａにより直流のバイアス電圧が印加される。第１の第１主電極８１ａと第１の第２主電極８３ａとはそれぞれＬ型形状をなし（図１７では、手前側の第１の第２主電極８３ａのみがＬ型形状をなすことを示されている。）、それぞれ第１のスピン流生成領域３０ａを介して対向するキャリア注入面と、このキャリア注入面に連続し、ＩｎＧａＡｓチャネル層７３がリッジ形状をなす凸部を挟む絶縁膜８６上に設けられた台座部とを備える。このため、第１の第１主電極８１ａ及び第１の第２主電極８３ａは、ＩｎＧａＡｓチャネル層７３のなすリッジ形状部以外の箇所では、絶縁膜８６によって、ＩｎＧａＡｓチャネル層７３とは電気的に絶縁されている。第２のスピン流変換素子（３０ｂ，８１ｂ，８３ｂ）は、図１７に示すように、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、ホール係数がゼロである非磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第２のスピン流生成領域３０ｂ、第２のスピン流生成領域３０ｂの端面に金属学的に接合され、スピン偏極電子電流を第２のスピン流生成領域３０ｂに注入する強磁性体からなる第２の第１主電極８１ｂ、第２のスピン流生成領域３０ｂの第２の第１主電極８１ｂが配置された端面と対向する端面に金属学的に接合され、スピン偏極正孔電流を第２のスピン流生成領域３０ｂに注入する強磁性体からなる第２の第２主電極８３ｂを備える。第２の第１主電極８１ｂと第２の第２主電極８３ｂとの間には第２の直流電源６ｂにより直流のバイアス電圧が印加される。第２の第１主電極８１ｂと第２の第２主電極８３ｂとはそれぞれＬ型形状をなし、それぞれ第２のスピン流生成領域３０ｂを介して対向するキャリア注入面と、このキャリア注入面に連続し、ＩｎＧａＡｓチャネル層７３がリッジ形状をなす凸部を挟む絶縁膜８６上に設けられた台座部とを備える。このため、第２の第１主電極８１ｂ及び第２の第２主電極８３ｂは、ＩｎＧａＡｓチャネル層７３のなすリッジ形状部以外の箇所では、絶縁膜８６によって、ＩｎＧａＡｓチャネル層７３とは電気的に絶縁されている。

磁場Ｂ_１，Ｂ_２は、ＩｎＧａＡｓチャネル層７３の主面に平行、且つ第１の第１主電極８１ａ、第１の第２主電極８３ａ、第２の第１主電極８１ｂ及び第２の第２主電極８３ｂのそれぞれのキャリア注入面に平行方向において、互いに反対方向に印加される。磁場Ｂ_１印加時には、第１の第１主電極８１ａからスピン偏極された電子が、第１の第２主電極８３ａからスピン偏極された正孔が第１のスピン流生成領域３０ａに注入され、ＩｎＧａＡｓチャネル層７３がなすリッジ形状部の頂部をなす平面に垂直にスピン流が注入され、ＩｎＧａＡｓチャネル層７３の表面の縮退した２次元電子層中をスピンが輸送される。磁場Ｂ_１と反対方向の磁場Ｂ_２印加時には、第２の第１主電極８１ｂからスピン偏極された電子が、第２の第２主電極８３ｂからスピン偏極された正孔が第２のスピン流生成領域３０ｂに注入され、ＩｎＧａＡｓチャネル層７３がなすリッジ形状部の頂部をなす平面に垂直にスピン流が注入され、ＩｎＧａＡｓチャネル層７３の表面の縮退した２次元電子層中をスピンが輸送される。スピン偏極された電子を注入する第１の第１主電極８１ａは、論理集積回路の第１のソース電極として機能し、スピン偏極された電子を注入する第２の第１主電極８１ｂは、論理集積回路の第２のソース電極として機能している。

このため、磁場Ｂ_１印加時に第１のスピン流変換素子（３０ａ，８１ａ，８３ａ）からスピンを第１のスピン流生成領域３０ａに注入し、磁場Ｂ_２印加時には第２のスピン流変換素子（３０ｂ，８１ｂ，８３ｂ）から第２のスピン流生成領域３０ｂにスピンを注入することにより、第１のソース電極又は第２のソース電極を選択することが可能で、縮退した２次元電子層中を輸送されるスピン偏極電流の入力信号を切り替えることが可能である。

その他詳細な説明を省略するが、本発明のスピン流変換素子は、スピントルク型磁気抵抗ＲＡＭ、スピントランスファートルク型発振素子、スピンゼーベック効果素子、スピン流−熱流変換による冷却素子等にも適用可能であることは、上記の説明から理解できるであろう。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

４…主電源
５，６…直流電源
７…交流電源
９…ロックイン増幅器
１０，１１，１２，１３，１４-1〜１４-n…スピン流変換素子
２０，２２，２３，２４-1〜２４-n，５８、８１，８１ａ，８１ｂ…第１主電極
３０，３４-1〜３４-n…スピン流生成領域
４０，４３，４４-1〜４４-n，５９，８３，８３ａ，８３ｂ…第２主電極
５０，５３，５４-1〜５４-n…検出電極
５１ａ…第１の検出電極
５１ｂ…第２の検出電極
６１，７１…ＧａＡｓ基板
６２…コンタクト層
６３…ＡｌＧａＡｓクラッド層
６４…活性層
６５…ＡｌＧａＡｓクラッド層
６６…ＩｎＧａＡｓコンタクト層
６７，８６…絶縁膜
６８…ｐ側オーミック電極
７２…ＧａＡｓバッファ層
７３…ＩｎＧａＡｓチャネル層
７４…ＡｌＧａＡｓスペーサ層
７５…ＡｌＧａＡｓ電子供給層
７６…ＧａＡｓコンタクト層
８４…ゲート電極
８５…ドレイン電極

Claims (8)

1. 互いに平行に対向する第１端面及び第２端面を有し、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有し、フェルミ面の曲率の平均値をゼロとすることによりホール係数がゼロとなる非磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域と、
   前記第１端面に設けられ、スピン偏極された第１導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する強磁性体からなる第１主電極と、
   前記第２端面に設けられ、第２導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する第２主電極
   とを備え、前記第１端面に垂直な面に直交する方向の磁場のローレンツ力により、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとを同一方向に輸送されるように偏向して、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアの電荷を互いに相殺し、前記スピン流生成領域においてスピン流を得ることを特徴とするスピントロニクス装置。
2. 前記両極性伝導金属が水素化イットリウム（ＹＨx（１．７＜ｘ＜２．１）からなることを特徴とする請求項１に記載のスピントロニクス装置。
3. 前記同一方向に直交する前記スピン流生成領域の出力側面に設けられた、強磁性体からなる検出電極を更に備え、前記第１主電極と前記検出電極との間の抵抗測定により、前記スピン流の存在を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載のスピントロニクス装置。
4. 前記第２主電極が強磁性体からなり、前記第２主電極からスピン偏極された第２導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のスピントロニクス装置。
5. 互いに平行に対向する第１端面及び第２端面を有し、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有し、フェルミ面の曲率の平均値をゼロとすることによりホール係数がゼロとなる非磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域と、
   前記第１端面に設けられ、スピン偏極された第１導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する強磁性体からなる第１主電極と、
   前記第２端面に設けられ、第２導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する第２主電極と、
   前記第１端面に直交する前記スピン流生成領域の出力側面に設けられた、強磁性体からなる検出電極
   とを備え、前記第１端面に垂直な面に直交する方向の磁場のローレンツ力により、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとを共に前記出力側面に向かう方向に輸送されるように偏向して、１導電型キャリアと第２導電型キャリアの電荷を互いに相殺し、前記検出電極の磁化の方向を入力信号、前記第１主電極と前記検出電極との間の抵抗を出力信号とすることを特徴とする論理演算素子。
6. 前記第２主電極が強磁性体からなり、前記第２主電極からスピン偏極された第２導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入し、前記第２主電極の磁化の方向を第２の入力信号とすることを特徴とする請求項５に記載の論理演算素子。
7. 互いに平行に対向する第１端面及び第２端面を有し、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有し、フェルミ面の曲率の平均値をゼロとすることによりホール係数がゼロとなる非磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域と、
   前記第１端面に設けられ、スピン偏極された第１導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する強磁性体からなる第１主電極と、
   前記第２端面に設けられ、スピン偏極された第２導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する強磁性体からなる第２主電極と、
   前記第１端面に直交する前記スピン流生成領域の出力側面に設けられた、強磁性体からなる検出電極
   とを備え、前記第１端面に垂直な面に直交する方向の磁場のローレンツ力により、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとを共に前記出力側面に向かう方向に輸送されるように偏向して、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアの電荷を互いに相殺し、前記第１主電極の磁化の方向を第１の入力信号、前記第２主電極の磁化の方向を第２の入力信号、前記第１主電極と前記第２主電極との間の抵抗を出力信号とすることを特徴とする論理演算素子。
8. 前記両極性伝導金属が水素化イットリウム（ＹＨx（１．７＜ｘ＜２．１）からなることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の論理演算素子。

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