JP5590488B2 - 電流−スピン流変換素子 - Google Patents
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Description
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。
ここで、sはスピンの向き(磁化方向)である。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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