WO2012121230A1 - 音波－スピン流変換素子 - Google Patents

音波－スピン流変換素子 Download PDF

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sound wave
spin current
acoustic wave
magnetic
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英治 齊藤
健一 内田
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国立大学法人東北大学
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices

Definitions

  • the present invention relates to a sound wave-spin current conversion element, for example, a sound wave-spin current conversion characteristic of a structure that converts bulk sound waves or surface acoustic waves (SAW) generated by a piezoelectric element or a magnetostrictive element into a spin current. It relates to an element.
  • SAW surface acoustic waves
  • This spintronics aims to obtain unprecedented functions and characteristics by simultaneously using the charge of electrons and the degree of freedom of spin, but many of the spintronic functions are driven by spin current.
  • the spin current Since the spin current has little energy dissipation, it is expected that it can be used for efficient energy transfer, and there is an urgent need to establish a spin current generation method and detection method.
  • a spin current by spin pumping has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1), and the present inventors have also used the inverse spin Hall effect (ISHE) as a spin current detection method.
  • HSE inverse spin Hall effect
  • the above-described spin current generation method has a problem from the viewpoint of the degree of freedom in device design because the material and composition configuration are limited.
  • an object of the present invention is to provide a novel spin current source.
  • the present invention provides a sound wave-spin flow conversion element comprising a sound wave generating member, a magnetic member that generates a spin flow by sound waves from the sound wave generating member, and the magnetic member.
  • magnon distribution function becomes non-equilibrium due to the magnon (quantized spin current) -phonon interaction in the magnetic member. It was discovered that sound-induced spin current occurs in the member. The generated sound wave induced spin current is injected into an inverse spin Hall effect member in contact with the magnetic member. By utilizing such a magnon-phonon interaction, a spin current generation source based on a novel principle can be realized.
  • the sound wave generating member may be such that the main surfaces are in direct contact with the magnetic body member, and the sound wave injected into the magnetic body member may be a bulk sound wave.
  • the sound wave generating member may be in contact with the magnetic member through a wedge-shaped elastic spacer, and the sound wave injected into the magnetic member may be a surface elastic wave.
  • the sound wave generated by the sound wave generating member is reflected by Snell's law at the interface between the wedge-shaped elastic spacer and the magnetic member, the inclination angle of the wedge-shaped elastic spacer is set so that total reflection occurs. As a result, a surface acoustic wave can be generated in the magnetic member.
  • the sound wave generating member may be a piezoelectric member provided with interdigital electrodes that generate surface acoustic waves, and the magnetic member may be in contact with the main surface in the traveling direction of the surface acoustic waves.
  • the interdigital electrode it is not necessary to use an adhesive, so that the efficiency is high, particularly when high frequency ultrasonic waves are used.
  • a surface acoustic wave amplifier that amplifies the surface acoustic wave may be provided in the magnetic member. Since surface acoustic waves can be amplified by using acoustic instability, spin information can be transported far farther than before by providing a surface acoustic wave amplifier that induces acoustic instability.
  • a current having a drift velocity exceeding the sound wave may be passed through the medium in which the surface acoustic wave is generated.
  • a semiconductor film or a Gunn diode may be attached to a medium in which surface acoustic waves are generated, and a current having a drift velocity exceeding the sound wave may be passed through the semiconductor film or the Gunn diode.
  • the inverse spin Hall effect member may be provided at a plurality of locations in the traveling direction of the surface acoustic wave, whereby a voltage and a spin current can be taken out at the plurality of locations.
  • the magnetic member may be a metal magnetic body, a magnetic semiconductor, or an insulating magnetic body, and typically Y 3 Fe 5 -x Ga x O 12 (where 0 ⁇ x ⁇ 5) is desirable. .
  • a pair of electrodes for extracting a voltage by the reverse spin Hall effect may be provided on the reverse spin Hall effect member, and can be used as an AC-DC converter or a power generation element.
  • a novel spin current source can be provided by utilizing the magnon-phonon interaction in the magnetic member.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram of a sound wave-spin current conversion element according to an embodiment of the present invention. It is explanatory drawing of the mechanism of spin current generation.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram of characteristics of the sound wave-spin current conversion element according to the embodiment of the present invention. It is explanatory drawing of the frequency dependence of the applied voltage of the characteristic of the sound wave-spin flow conversion element of embodiment of this invention. It is explanatory drawing of the external magnetic field strength of the electromotive force of the sound wave-spin flow conversion element of embodiment of this invention, and the frequency dependence of an applied voltage.
  • FIG. 5 is a conceptual cross-sectional view of a surface acoustic wave-spin current conversion device according to Example 3 of the present invention.
  • FIG. 6 is a conceptual cross-sectional view of a surface acoustic wave-spin current conversion device according to Example 4 of the present invention.
  • FIG. 9 is a conceptual perspective view of a surface acoustic wave-spin current conversion device according to Example 5 of the present invention.
  • FIG. 1 is an explanatory view of a sound wave-spin current conversion element according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1 (a) is a conceptual perspective view
  • FIG. 1 (b) is an explanatory view of an applied voltage waveform. .
  • a magnetic member 12 on which a reverse spin Hall effect member 13 is deposited is bonded onto a sound wave generating member 11, and a pair of electrodes for voltage extraction are connected to both ends of the reverse spin Hall effect member 13. 14 1 and 14 2 are provided. Further, a heat sink 15 made of silicone resin or the like is provided so as to cover the side on which the reverse spin Hall effect member 13 is provided.
  • the magnetic member 12 may be bonded by an adhesive, or may be directly formed on the sound wave generating member 11 by using an AED (aerosol deposition) method or the like as will be described later.
  • the sound wave generating member 11 is composed of a piezoelectric element or a magnetostrictive element using PZT, PVDF (polyvinylidene fluoride), or the like.
  • a piezoelectric element an AC voltage in the order of MHz shown in FIG.
  • a magnetostrictive element a magnetic material having a large magnetostriction constant such as Ni, Co-based alloy, soft ferrite or the like is attached to the magnetic member 12 that is a spin current generating member, and an AC magnetic field is applied to the magnetostrictive material, resulting in magnetostriction. Ultrasound is generated by AC vibration.
  • the magnetization of the magnetic member which is a spin current generating member, must be fixed, the magnetic field is applied to the magnetostrictive material locally by applying a magnetic field with a thin current wire or winding a coil.
  • the magnetic member 12 may be a metal magnetic material, a magnetic semiconductor, or an insulating magnetic material.
  • the magnetic dielectric material may be anything as long as it contains Fe or Co.
  • garnet ferrite, spinel ferrite, or hexagonal ferrite, particularly practically, is easily available and has low dissipation of spin angular momentum.
  • YIG yttrium iron garnet
  • yttrium gallium iron garnet that is, garnet ferrite consisting of Y 3 Fe 5-x Ga x O 12 (where 0 ⁇ x ⁇ 5) or YIG Y site It is desirable to use garnet ferrite substituted with atoms such as La, such as LaY 2 Fe 5 O 12 .
  • Y 3 Fe 5-x Ga x O 12 has a large band gap and therefore has very few conduction electrons. Therefore, dissipation of spin angular momentum by the conduction electrons is small.
  • an inexpensive material such as ordinary ferrite Fe 3 O 4 is desirable from the viewpoint of cost.
  • the magnetic field applying means for fixing the magnetization direction of the magnetic member 12 may be an external magnetic field applying mechanism using a coil or the like, or an antiferromagnetic material serving as a pinned layer.
  • the electromotive force E ISHE generated by the reverse spin Hall effect is generated in the outer product direction of the generated spin current j S and the spin polarization direction, so that the magnetic field application direction is perpendicular to the longitudinal direction of the reverse spin Hall effect member 13.
  • the direction ⁇ is desirably 90 °.
  • a magnetic dielectric such as Y 3 Fe 5 -x Ga x O 12 (where 0 ⁇ x ⁇ 5) is used as the magnetic member 12
  • a sputtering method a sputtering method, a MOD method (Metal-organic decomposition method: (Organic metal coating pyrolysis method), sol-gel method, liquid phase epitaxy method, floating zone method, or aerosol deposition method may be used.
  • the crystallinity of the magnetic dielectric may be single crystal or polycrystal.
  • a MOD solution having a Y 3 Fe 4 GaO 12 composition is spin-coated on a GGG (Gd 3 Ga 5 O 12 ) single crystal substrate having a ⁇ 100 ⁇ plane as a main surface. Apply with.
  • spin coating conditions in this case first, after rotating at 500 rpm for 5 seconds, rotating at 3000 to 4000 rpm for 30 seconds, the MOD solution is uniformly applied so that the film thickness after baking becomes 100 nm.
  • the MOD solution for example, a MOD solution manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd. is used.
  • drying is performed on a hot plate heated to 150 ° C. for 5 minutes to evaporate excess organic solvent contained in the MOD solution, and then pre-baking is performed in an electric furnace, for example, at 550 ° C. for 5 minutes. To form an oxide layer.
  • crystallization of the oxide layer is advanced in the main baking in which heating is performed at 750 ° C. for 1 to 2 hours in an electric furnace to form a YIG layer.
  • the YIG layer may be cut out to a predetermined size.
  • any one of Pt, Au, Pd, Ag, Bi, an element having a transition metal having f or 3d orbit, or an element having any of these alloys Alternatively, it is desirable to use an alloy of these materials and Cu, Al, or Si. Since the former element has a large spin orbit interaction, it is possible to exchange the acoustically induced spin wave spin current and the pure spin current with high efficiency at the interface with the magnetic dielectric. However, from the viewpoint of cost, the former material and an alloy of Cu, Al, or Si are desirable.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram of the mechanism of spin current generation.
  • FIG. 2A is a model diagram of the sound wave-spin current conversion element according to the embodiment of the present invention, and the bulk sound wave generated by the sound wave generating member 11 is transmitted into the magnetic body member 12, and the magnetic body member 12. Due to the magnon-phonon interaction, acoustically induced spin current is generated by energy transfer from sound waves to spin waves. In this case, since it is energy transfer and not momentum transfer, there is no relationship between the incident direction of the sound wave and the direction of the spin current, and therefore the incident direction of the sound wave is not important. The generated spin current is injected into the inverse spin Hall effect member 13.
  • FIG. 2B is an explanatory diagram of the relationship between the sound wave, the spin current, the spin polarization direction, and the electromotive force.
  • a spin current is generated by the sound wave perpendicularly incident on the magnetic member 12, and the spin current is pumped to the inverse spin Hall effect member 13 from the interface in the vertical direction.
  • the magnetic member 12 is magnetized in the M direction by the magnetic field applying means, the spin polarization direction ⁇ in the reverse spin Hall effect member 13 becomes the M direction or the ⁇ M direction.
  • the electromotive force E ISHE is E ISHE ⁇ j S ⁇ ⁇ Therefore, the electromotive force E ISHE is generated in the longitudinal direction of the reverse spin Hall member 13.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram of the characteristics of the sound wave-spin current conversion element according to the embodiment of the present invention.
  • the electromotive force V generated when the intensity of the external magnetic field is H 1 kOe increases as the applied voltage peak-peak voltage V PP increases, and is shown in FIG. 3B. as such, the electromotive force V generated is proportional to the square of V PP. This is because the displacement ⁇ d of the surface of the piezoelectric element is proportional to V PP and the intensity of the sound wave generated from the piezoelectric element is proportional to the square of ⁇ d, and the electromotive force V due to the inverse spin Hall effect is injected. Proportional to the intensity of sound waves.
  • FIG. 3C is an explanatory diagram of the dependence of the generated electromotive force V on the external magnetic field strength and V PP , and it can be seen that the polarity of the electromotive force V is reversed by the magnetic field reversal.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of the frequency dependence of the applied voltage of the characteristics of the sound wave-spin current conversion element according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4B is an explanatory diagram of the frequency dependence of the heat generation of the sound wave generating member, and it can be seen that PVFD generates heat at f> 5 MHz. Comparing this result with the characteristics shown in FIG. 4A, it can be seen that the electromotive force V in the frequency region of 5 MHz or higher is an electromotive force due to the spin-Seebeck effect. Whether the generated electromotive force is derived from sound waves or heat can be distinguished by verifying the polarity of the electromotive force.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of the external magnetic field strength of the electromotive force of the sound wave-spin current conversion element according to the embodiment of the present invention and the frequency dependence of the applied voltage.
  • the polarity (sign) of the electromotive force V is reversed by an electromotive force due to the spin-Seebeck effect in the vicinity of 3.5 MHz. .
  • the electromotive force V disappears.
  • the spin current is in the direction of the temperature gradient ⁇ T, while the spin polarization direction is in the direction of the external magnetic field. Therefore, the electromotive force represented by j S ⁇ ⁇ is generated in the short direction of the inverse spin Hall effect member, and the longitudinal direction. This is because they are not detected by the electrodes 14 1 and 14 2 provided in the above.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram of the resonance frequency dependency of the piezoelectric element at the dip position of the electromotive force of the sound wave-spin current conversion element according to the embodiment of the present invention.
  • the piezoelectric element can be made of any material, but a large signal can be obtained when the acoustic impedance matching expressed by the product of the medium density and the sound velocity is good.
  • a magnetic memory can also be configured by combining the sound wave generating member and the spin valve film structure.
  • the sound wave generating member and the magnetic member are in direct surface contact with each other and the bulk sound wave is injected into the magnetic member.
  • a surface acoustic wave may be injected.
  • the sound wave generating member may be in contact with the magnetic member via a wedge-shaped elastic spacer.
  • the sound wave generated by the sound wave generating member is reflected by Snell's law at the interface between the wedge-shaped elastic spacer and the magnetic member, so the surface of the surface can be set by setting the inclination angle of the wedge-shaped elastic spacer so that total reflection occurs.
  • Elastic waves can be generated.
  • the sound wave generating member is a piezoelectric member having an interdigital electrode (IDT) that generates surface acoustic waves
  • the magnetic member is arranged so that the piezoelectric member and the main surface are in contact with each other in the traveling direction of the surface acoustic waves. Also good.
  • IDT interdigital electrode
  • the interdigital electrode it is not necessary to use an adhesive, so that the efficiency is high, particularly when high frequency ultrasonic waves are used.
  • a surface acoustic wave amplifier that amplifies the surface acoustic wave may be provided in the magnetic member. Since surface acoustic waves can be amplified by using acoustic instability, spin information can be transported far farther than before by providing a surface acoustic wave amplifier that induces acoustic instability.
  • a current having a drift velocity exceeding the sound wave may be passed through the medium in which the surface acoustic wave is generated.
  • a semiconductor film or a Gunn diode is attached to a medium in which surface acoustic waves are generated, and a current having a drift velocity exceeding the sound wave is applied to the semiconductor film or the Gunn diode. Just flow.
  • the inverse spin Hall effect member may be provided at a plurality of locations in the traveling direction of the surface acoustic waves, whereby a voltage or spin current can be taken out at the plurality of locations.
  • FIG. 7 is a conceptual perspective view of the power generating element according to the first embodiment of the present invention.
  • the piezoelectric effect element 21 made of PZT, the YIG layer 22, the Pt film 23, the electrodes 24 1 and 24 2 , and a silicone resin that serves as a heat sink. 25.
  • the film thickness of PZT constituting the piezo effect element 21 is 0.6 mm
  • the YIG layer 22 is 6 mm long, 2 mm wide, and 1 mm thick
  • the Pt film 23 is 6 mm long, 0.5 mm wide
  • the thickness is 15 nm.
  • a spin current is generated by sound waves, and a voltage can be generated by utilizing the reverse spin Hall effect.
  • an AC-DC converter is obtained.
  • FIG. 8A and 8B are cross-sectional views for explaining the operation of the magnetic memory according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8A shows a magnetization state before sound wave injection
  • FIG. 8B shows a magnetization state at the time of sound wave injection
  • FIG. 8C is an explanatory diagram of the magnetization state after the sound wave injection is stopped.
  • the information storage section constituting the memory element is shown as a conceptual cross-sectional view.
  • the magnetic memory according to the second embodiment of the present invention has a pinned layer 32 made of CoFeB or the like, a paramagnetic spacer 33, and a free layer 34 made of NiFe or the like on the piezoelectric effect element 31.
  • the paramagnetic spacer 33 may be a tunnel insulating film such as MgO or Al—O, or a metal film such as Cu or Ru.
  • FIG. 9 is a conceptual cross-sectional view of a surface acoustic wave-spin current conversion element according to Example 3 of the present invention, in which a piezo effect element 43 is provided at the end of a YIG layer 41 via a wedge-shaped elastic spacer 42.
  • a plurality of Pt films 44 1 , 44 2 , 44 3 are provided in the traveling direction of the surface acoustic wave in the YIG layer 41.
  • the wedge-shaped elastic spacer 42 acrylic, sapphire, or the like is used as the wedge-shaped elastic spacer 42.
  • a voltage can be taken out by providing a pair of electrodes in the longitudinal direction (depth direction in the figure) of the Pt films 44 1 , 44 2 , and 44 3 , and if no electrodes are provided, a spin current source can be obtained. .
  • Example 4 a surface acoustic wave-spin current conversion element according to Example 4 of the present invention will be described with reference to FIG. 10.
  • This Example 4 is the same as Example 3 described above in the traveling direction of surface acoustic waves.
  • a surface acoustic wave amplifier 45 is provided in the middle, and other configurations are the same as those of the third embodiment.
  • Surface acoustic waves can be amplified by using acoustic instability.
  • a surface acoustic wave amplifier 45 is formed by attaching a semiconductor film such as GaAs or Si or a Gunn diode to the YIG layer 41 where surface acoustic waves are generated. By passing a current having a drift velocity exceeding the sound wave through the semiconductor film or the Gunn diode, acoustic instability occurs, and the surface acoustic wave is amplified.
  • a commercially available high-power DC power supply may be used to attach a lead wire to the surface acoustic wave amplifier 45 and cause a current to flow in the sound wave propagation direction.
  • the surface acoustic wave amplifier that induces the acoustic instability is provided, so that the spin information can be transported farther than before.
  • the insulating YIG layer 41 is used as the magnetic member.
  • a current having a drift velocity exceeding the sound wave is supplied to the magnetic material itself. You may do it.
  • FIG. 11 is a conceptual perspective view of a surface acoustic wave-spin current conversion element according to a fifth embodiment of the present invention, in which one end of a piezoelectric substrate 51 made of LiNbO 3 is a comb-like structure made of a Ti / Au bilayer film. the electrode 52 is provided, the YIG film 53 is formed in the traveling direction of the surface acoustic wave, forming a plurality of the Pt film 54 1, 54 2, 54 3 thereon.
  • the surface acoustic wave can be generated more easily and efficiently.
  • a surface acoustic wave amplifier may be provided between the plurality of Pt films 54 1 , 54 2 , 54 3 .

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Abstract

音波－スピン流変換素子に関し、新規なスピン流源を提供する。 音波発生部材と、前記音波発生部材からの音波によりスピン流を発生する磁性体部材と、前記磁性体部材で発生したスピン流が注入される逆スピンホール効果部材と、前記磁性体部材の磁化方向を規制する磁場印加手段とを設け、逆スピンホール効果部材から音響誘起スピン流或いは電圧を取り出す。

Description

音波－スピン流変換素子
　本発明は、音波－スピン流変換素子に関するものであり、例えば、圧電素子や磁歪素子で発生したバルク音波或いは表面弾性波（ＳＡＷ）をスピン流に変換する構成に特徴のある音波－スピン流変換素子に関するものである。
　現在の半導体装置等のエレ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が、スピントロニクス機能の多くはスピン流によって駆動される。
　スピン流はエネルギーの散逸が少ないため、効率の良いエネルギー伝達に利用できる可能性が期待されており、スピン流の生成方法や検出方法の確立が急務になっている。
　なお、スピン流の生成方法としては、スピンポンピングによるスピン流が提案されており（例えば、非特許文献１参照）、スピン流の検出方法についても、本発明者等により逆スピンホール効果（ＩＳＨＥ）によるスピン流の検出方法が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。
さらに、本発明者は、熱をスピン流の発生源としたスピン－ゼーベック効果素子を提案している（例えば、特許文献１参照）。
国際公開パンフレット　ＷＯ　２００９／１５１０００
Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．，Ｂ１９，ｐ．４３８２，１９７９ Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　Ｖｏｌ．８８，ｐ．１８２５０９，２００６
　しかし、上述のスピン流発生方法では、材料や組成構成が限定されてしまい、素子設計の自由度という観点からは問題がある。
したがって、本発明は、新規なスピン流源を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は、音波－スピン流変換素子であって、音波発生部材と、前記音波発生部材からの音波によりスピン流を発生する磁性体部材と、前記磁性体部材で発生したスピン流が注入される逆スピンホール効果部材と、前記磁性体部材の磁化方向を規制する磁場印加手段とを有する。
本発明者が鋭意研究した結果、音波を磁性体部材に注入すると、磁性体部材中でのマグノン（量子化したスピン流）－フォノン相互作用により、マグノン分布関数が非平衡状態になり、磁性体部材中で音波誘起スピン流が発生することを発見した。発生した音波誘起スピン流は、磁性体部材と接する逆スピンホール効果部材中に注入される。このような、マグノン－フォノン相互作用を利用することにより新規な原理によるスピン流発生源を実現することができる。
この場合、音波発生部材が、前記磁性体部材と直接主表面同士が接するようにし、前記磁性体部材に注入される音波を、バルク音波としても良い。
或いは、音波発生部材が、前記磁性体部材とくさび状弾性体スペーサを介して接するようにしても良く、前記磁性体部材に注入される音波を表面弾性波として良い。この場合、音波発生部材で発生した音波は、くさび状弾性体スペーサと磁性体部材との界面でスネルの法則によって反射するので、全反射が起きるようにくさび状弾性体スペーサの傾斜角を設定することで磁性体部材中に表面弾性波を発生することができる。
或いは、音波発生部材を、表面弾性波を発生させるすだれ状電極を備えた圧電体部材とし、前記磁性体部材が、前記表面弾性波の進行方向において、前記圧電体部材と主表面同士が接するようにしても良い。すだれ状電極を用いた場合には、接着材を用いる必要がないので、高効率、特に、高周波超音波を用いる場合に高効率になる。
また、磁性体部材に、表面弾性波を増幅する表面弾性波増幅器を設けても良い。表面弾性波は、音響不安定性を用いることによって増幅することができるので、音響不安定性を誘起する表面弾性波増幅器を設けることによって、従来よりもはるかに遠くまでスピン情報を輸送することができる。
なお、音響不安定性を誘起するためには、表面弾性波が発生している媒体自体に音波を超えるドリフト速度を有する電流を流せば良い。或いは、表面弾性波が発生している媒体に、半導体膜やガンダイオードを取り付けて、この半導体膜やガンダイオードに音波を超えるドリフト速度を有する電流を流せば良い。
また、逆スピンホール効果部材を表面弾性波の進行方向において、複数個所に設けてもよく、それによって、複数個所において電圧やスピン流を取り出すことができる。
磁性体部材としては、金属磁性体でも、磁性半導体でも、或いは、絶縁性磁性体でも良く、典型的には、Ｙ３Ｆｅ５-ｘＧａｘＯ１２（但し、０≦ｘ＜５）が望ましい。
また、逆スピンホール効果部材としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｂｉ、或いは、ｆ軌道或いは３ｄ軌道を有する遷移金属を有する元素、若しくはそれらの合金のいずれかを有する元素のいずれか、或いは、前記各材料とＣｕ、Ａｌ、或いは、Ｓｉの合金のいずれかが望ましい。
また、逆スピンホール効果部材に、逆スピンホール効果により電圧を取り出すための一対の電極をもうけても良く、ＡＣ‐ＤＣコンバータや発電素子として用いることができる。
　開示の音波－スピン流変換素子によれば、磁性体部材中でのマグノン－フォノン相互作用を利用することによって、新規なスピン流源を提供することができる。
本発明の実施の形態の音波－スピン流変換素子の説明図である。 スピン流発生のメカニズムの説明図である。 本発明の実施の形態の音波－スピン流変換素子の特性の説明図である。 本発明の実施の形態の音波－スピン流変換素子の特性の印加電圧の周波数依存性の説明図である。 本発明の実施の形態の音波－スピン流変換素子の起電力の外部磁場強度及び印加電圧の周波数依存性の説明図である。 本発明の実施の形態の音波－スピン流変換素子の起電力のディップ位置の圧電素子の共振周波数依存性の説明図である。 本発明の実施例１の発電素子の概念的斜視図である。 本発明の実施例２の磁気メモリの動作を説明する断面図である。 本発明の実施例３の表面弾性波－スピン流変換素子の概念的断面図である。 本発明の実施例４の表面弾性波－スピン流変換素子の概念的断面図である。 本発明の実施例５の表面弾性波－スピン流変換素子の概念的斜視図である。
ここで、図１乃至図６を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の実施の形態の音波－スピン流変換素子の説明図であり、図１（ａ）は概念的斜視図であり、図１（ｂ）は印加電圧波形の説明図である。
図１（ａ）に示すように、音波発生部材１１上に、逆スピンホール効果部材１３を蒸着した磁性体部材１２を接合し、逆スピンホール効果部材１３の両端に電圧取り出し用の一対の電極１４１，１４２を設ける。また、逆スピンホール効果部材１３を設けた側を覆うようにシリコーン樹脂等からなるヒートシンク１５を設ける。なお、磁性体部材１２の接合は接着剤により行っても良いし、或いは、後述するように、ＡＥＤ（エアロゾルデポジッション）法等を用いて音波発生部材１１上に直接成膜しても良い。
この音波発生部材１１は、ＰＺＴやＰＶＤＦ（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ　ｆｌｕｏｒｉｄｅ）等を用いた圧電素子或いは磁歪素子からなる。圧電素子を用いる場合には、図１（ｂ）に示すＭＨｚオーダーの交流電圧を印加する。磁歪素子を用いる場合には、Ｎｉ、Ｃｏ系合金、ソフトフェライト等の磁歪定数の大きな磁性材料をスピン流発生部材である磁性体部材１２に取り付け、磁歪材料に交流磁場を印加すると磁歪に由来する交流振動により超音波が発生する。この場合スピン流発生部材である、磁性体部材の磁化は固定しなければならないので、磁歪材料への磁場印加は電流細線による磁場印加或いはコイルの巻き付けにより局所的に行う。
磁性体部材１２は、金属磁性体でも、磁性半導体でも、或いは、絶縁性磁性体でも良い。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、ガーネットフェライト、スピネルフェライト、或いは、六方晶フェライト、特に、実用的には、入手が容易で且つスピン角運動量の散逸の小さい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Ｙ３Ｆｅ５-ｘＧａｘＯ１２（但し、０≦ｘ＜５）からなるガーネットフェライト、或いは、ＹＩＧのＹサイトをＬａ等の原子で置換したガーネットフェライト、例えば、ＬａＹ２Ｆｅ５Ｏ１２等を用いることが望ましい。これは、Ｙ３Ｆｅ５-ｘＧａｘＯ１２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、伝導電子によるスピン角運動量の散逸が小さいためである。但し、コストの観点からは、通常のフェライトＦｅ３Ｏ４等の安価な材料が望ましい。
　また、磁性体部材１２の磁化方向を固定するための磁場印加手段は、コイル等を使用した外部磁場印加機構でも、或いは、ピン止め層となる反強磁性体を用いても良い。なお、逆スピンホール効果により発生する起電力ＥＩＳＨＥは発生したスピン流ｊＳとスピン偏極方向の外積方向に生じるので、磁場印加方向は、逆スピンホール効果部材１３の長手方向に対して垂直方向θ＝９０°とすることが望ましい。
また、磁性体部材１２として、Ｙ３Ｆｅ５-ｘＧａｘＯ１２（但し、０≦ｘ＜５）等の磁性誘電体を用いる場合には、スパッタ法、ＭＯＤ法（Ｍｅｔａｌ-ｏｒｇａｎｉｃ　ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄ：有機金属塗布熱分解法）、ゾル－ゲル法、液相エピタキシー法、フローティングゾーン法、或いは、エアロゾルデポジッション法のいずれを用いても良い。また、磁性誘電体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。
　ＭＯＤ法を用いる場合には、例えば、｛１００｝面を主面とするＧＧＧ（Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２）単結晶基板上に、例えば、Ｙ３Ｆｅ４ＧａＯ１２組成のＭＯＤ溶液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溶液としては、例えば、（株）高純度化学研究所製のＭＯＤ溶液を用いる。
　次いで、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溶液に含まれる余分な有機溶媒を蒸発させ、次いで、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とする。
　次いで、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の結晶化を進めてＹＩＧ層とする。最後に、ＹＩＧ層を所定のサイズに切り出せば良い。
　また、エアロゾルデポジション法を用いる場合には、例えば、平均粒径が１μｍのＦｅ２Ｏ３、ＮｉＯ,ＺｎＯそれぞれ、５０ｍｏｌ％、２７ｍｏｌ％、２３ｍｏｌ％のエアロゾル用粉体を用い、例えば、開口が0．４ｍｍ×１０ｍｍのノズルを用いてキャリガスとなるＡｒガスを１０００ｓｃｃｍ流して基板上に噴射させて堆積させれば良い。
　また、逆スピンホール効果部材１３としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｂｉ、或いは、ｆ軌道或いは３ｄ軌道を有する遷移金属を有する元素、若しくはそれらの合金のいずれかを有する元素のいずれか、或いは、これらの材料とＣｕ、Ａｌ、或いは、Ｓｉの合金を用いることが望ましい。前者の元素はスピン軌道相互作用が大きいので、磁性誘電体との界面において、音響誘起スピン波スピン流と純スピン流の交換を高効率で行うことができる。但し、コストの観点からは、前者の材料とＣｕ、Ａｌ、或いは、Ｓｉの合金が望ましい。
　図２はスピン流発生のメカニズムの説明図である。図２（ａ）は、本発明の実施の形態の音波－スピン流変換素子のモデル図であり、音波発生部材１１で発生したバルク音波は、磁性体部材１２中に伝達され、磁性体部材１２の中におけるマグノン－フォノン相互作用により、音波からスピン波へのエネルギー移行によって音響誘起のスピン流が発生する。この場合、エネルギー移行であって、運動量移行ではないので、音波の入射方向とスピン流の方向には関係がなく、したがって、音波の入射方向は重要ではない。発生したスピン流は逆スピンホール効果部材１３に注入される。
　図２（ｂ）は、音波、スピン流、スピン偏極方向及び起電力の関係の説明図である。磁性体部材１２に垂直に入射した音波により、スピン流が発生して、逆スピンホール効果部材１３に界面から垂直方向にスピン流がポンピングされる。一方、磁場印加手段により、磁性体部材１２はＭの方向に磁化されているので、逆スピンホール効果部材１３におけるスピン偏極方向σはＭ方向或いは－Ｍ方向になる。起電力ＥＩＳＨＥは、
ＥＩＳＨＥ∝ｊＳ×σ
であるので、起電力ＥＩＳＨＥは、逆スピンホール部材１３の長手方向に発生する。
　図３は、本発明の実施の形態の音波－スピン流変換素子の特性の説明図であり、音波発生部材１１として、ＰＶＦＤピエゾ素子を用いて、外部磁場の印加方向をθ＝９０°とし、印加する交流電圧の周波数をｆ＝３．５ＭＨｚとした場合の特性図である。
　図３（ａ）に示すように、外部磁場の強度をＨ＝１ｋＯｅとした場合に発生した起電力Ｖは印加電圧のピーク－ピーク電圧ＶＰＰの増加とともに増大し、図３（ｂ）に示すように、発生した起電力ＶはＶＰＰの二乗に比例する。これは、圧電素子表面の変位ΔｄはＶＰＰに比例し、圧電素子から生成された音波の強度はΔｄの２乗に比例するためであり、逆スピンホール効果による起電力Ｖは、注入された音波の強度に比例する。
　図３（ｃ）は、発生した起電力Ｖの外部磁場強度及びＶＰＰ依存性の説明図であり、起電力Ｖは磁場反転により極性が反転することがわかる。
　図４は、本発明の実施の形態の音波－スピン流変換素子の特性の印加電圧の周波数依存性の説明図である。図４（ａ）は、本発明の実施の形態の音波－スピン流変換素子の特性の印加電圧の周波数依存性の説明図であり、ｆ＝３．５ＭＨｚ付近で鋭いディップ構造の負符号の電圧が発生する。
　図４（ｂ）は、音波発生部材の発熱の周波数依存性の説明図であり、ｆ＞５ＭＨｚでＰＶＦＤが発熱していることがわかる。この結果と図４（ａ）に示した特性を対比すると、５ＭＨｚ以上の周波数領域における起電力Ｖはスピン－ゼーベック効果による起電力であることがわかる。発生した起電力が音波由来か或いは発熱由来かは、起電力の極性を検証することにより区別することができる。
　図５は、本発明の実施の形態の音波－スピン流変換素子の起電力の外部磁場強度及び印加電圧の周波数依存性の説明図である。図５（ａ）に示すように、外部磁場の印加方向をθ＝９０°とした場合には、起電力Ｖは３.５ＭＨｚ近傍でスピン－ゼーベック効果による起電力により極性（符号）が反転する。
また、図５（ｂ）に示すように外部磁場の印加方向をθ＝０°とした場合には、起電力Ｖは消失する。スピン流は温度勾配▽Ｔの方向となり、一方、スピン偏極方向は外部磁場方向になるので、ｊＳ×σで表わされる起電力は逆スピンホール効果部材の短手方向に発生し、長手方向に設けた電極１４１，１４２では検出されないためである。
　なお、図５（ｃ）に示すように、逆スピンホール効果部材であるＰｔの代わりに、逆スピンホール効果が発生しないＣｕを用いた場合には、逆スピンホール効果が発生しないので、θ＝９０°としても起電力は発生しない。
　図６は、本発明の実施の形態の音波－スピン流変換素子の起電力のディップ位置の圧電素子の共振周波数依存性の説明図である。ここでは、音波発生部材としてＰＺＴピエゾ素子を用いて、Ｈ＝１ｋＯｅ、θ＝９０°の測定結果を示す。圧電素子の共振周波数は厚さで決定されるので、ここでは、ＰＺＴの厚さを変化させて測定を行った。なお、圧電素子の素材は何でも良いが、媒質密度と音速の積で表わされる音響インピーダンスのマッチングが良い場合に大きな信号が得られる。
ＰＺＴの膜厚ｄＰＺＴを０．３ｍｍとした場合には、ディップ位置はｆｒ＝７．２ＭＨｚとなり、ＰＺＴの膜厚ｄＰＺＴを０．４ｍｍとした場合には、ディップ位置はｆｒ＝５．４ＭＨｚとなり、ＰＺＴの膜厚ｄＰＺＴを０．６ｍｍとした場合には、ディップ位置はｆｒ＝３.６ＭＨｚとなる。この特性を利用することによって、圧電素子を選択することによって、入力ＡＣ電圧の周波数を選択することができ、ＡＣ-ＤＣコンバータとなる。
また、スピン流の注入により、磁性体部材の磁化方向を変化させることができるので、音波発生部材とスピンバルブ膜構造を組み合わせることにより、磁気メモリを構成することもできる、
以上の説明においては、音波発生部材と磁性体部材とを主面同士を直接面接触させてバルク音波を磁性体部材に注入しているが、表面弾性波を注入しても良い。表面弾性波を注入する場合には、音波発生部材を磁性体部材とくさび状弾性体スペーサを介して接するようにすれば良い。音波発生部材で発生した音波は、くさび状弾性体スペーサと磁性体部材との界面でスネルの法則によって反射するので、全反射が起きるようにくさび状弾性体スペーサの傾斜角を設定することで表面弾性波を発生することができる。
或いは、音波発生部材を表面弾性波を発生させるすだれ状電極（ＩＤＴ）を備えた圧電体部材とし、磁性体部材を表面弾性波の進行方向において、圧電体部材と主表面同士が接するようにしても良い。すだれ状電極を用いた場合には、接着材を用いる必要がないので、高効率、特に、高周波超音波を用いる場合に高効率になる。
また、磁性体部材に、表面弾性波を増幅する表面弾性波増幅器を設けても良い。表面弾性波は、音響不安定性を用いることによって増幅することができるので、音響不安定性を誘起する表面弾性波増幅器を設けることによって、従来よりもはるかに遠くまでスピン情報を輸送することができる。
このような音響不安定性を誘起するためには、表面弾性波が発生している媒体自体に音波を超えるドリフト速度を有する電流を流せば良い。或いは、磁性体部材が導電性を有する場合には、表面弾性波が発生している媒体に、半導体膜やガンダイオードを取り付けて、この半導体膜やガンダイオードに音波を超えるドリフト速度を有する電流を流せば良い。
また、このような表面弾性波を用いる場合には、逆スピンホール効果部材を表面弾性波の進行方向に複数個所に設けても良く、それによって、複数個所において電圧やスピン流を取り出すことができる。
　ここで、図７を参照して、本発明の実施例１の発電素子を説明図する。図７は、本発明の実施例１の発電素子の概念的斜視図であり、ＰＺＴからなるピエゾ効果素子２１、ＹＩＧ層２２、Ｐｔ膜２３、電極２４１，２４２と、ヒートシンクとなるシリコーン樹脂２５からなる。ここでは、ピエゾ効果素子２１を構成するＰＺＴの膜厚を０．６ｍｍとし、ＹＩＧ層２２を、長さ６ｍｍ、幅２ｍｍ、厚さ１ｍｍとし、Ｐｔ膜２３を長さ６ｍｍ、幅０．５ｍｍ、厚さ１５ｎｍとする。
　この発電素子に対して、Ｐｔ膜２３の長手方向に直交する方向にＨ＝１ｋＯｅの外部磁場を印加した状態で、ｆ＝３．６ＭＨｚの交流電圧をピエゾ効果素子２１に印加すると、ＶＰＰ ２で規格化した起電力Ｖ／ＶＰＰ ２として８×１０－９Ｖ－１の起電力が得られた。
　このように、本発明の実施例１においては、音波によりスピン流を生成し、このスピン流を逆スピンホール効果を利用することによって、電圧を発生することができる。また、見方を変えると、ＡＣ－ＤＣコンバータとなる。
　次に、図８を参照して、本発明の実施例２の磁気メモリ素子を説明する。図８は、本発明の実施例２の磁気メモリの動作を説明する断面図であり、図８（ａ）は音波注入前の磁化状態を示し、図８（ｂ）は音波注入時の磁化状態を示し、図８（ｃ）は音波注入停止後の磁化状態の説明図である。ここでは、メモリ素子を構成する情報蓄積部を概念的断面図として示したものである。
　図８（ａ）に示すように、本発明の実施例２の磁気メモリは、ピエゾ効果素子３１上に、ＣｏＦｅＢ等からなるピンド層３２、常磁性体スペーサ３３及び、ＮｉＦｅ等からなるフリー層３４を積層したものである。なお、常磁性体スペーサ３３としては、ＭｇＯやＡｌ－Ｏ等のトンネル絶縁膜でも、或いは、ＣｕやＲｕ等の金属膜でも良い。
　図８（ｂ）に示すように、ピエゾ効果素子３１に交流電圧を印加してピンド層３２に音波を注入すると、ピンド層３２内でマグノン－フォノン相互作用により、スピン流が発生する。発生したスピン流は、トンネル伝導或いはオーミック伝導により常磁性体スペーサ３３を介してフリー層３４に注入される。注入されたスピン流のスピン偏極方向にフリー層３４の磁化方向が反転する。
　図８（ｃ）に示すように、フリー層３４の磁化方向が反転した状態で、交流電圧の印加を停止すると、フリー層３４の磁化方向は、保磁力によって保たれたままである。したがって、この現象を利用することによって、磁気メモリのセルの書き換えが可能になる。但し、微小セルを超音波励起するためには、印加電圧として相当な高周波数を必要とするため、セルの初期化に特に有効である。
　次に、図９を参照して、本発明の実施例３の表面弾性波－スピン流変換素子を説明する。図９は、本発明の実施例３の表面弾性波－スピン流変換素子の概念的断面図であり、ＹＩＧ層４１の端部にくさび状弾性体スペーサ４２を介してピエゾ効果素子４３を設け、ＹＩＧ層４１における表面弾性波の進行方向に複数のＰｔ膜４４１，４４２，４４３を設けた。なお、くさび状弾性体スペーサ４２としては、アクリル、或いは、サファイア等を用いる。
　ピエゾ効果素子４３で発生した音波は、くさび状弾性体スペーサ４２とＹＩＧ層４１との界面でスネルの法則によって反射するので、全反射が起きるようにくさび状弾性体スペーサ４２の傾斜角αを設定することで表面弾性波を発生することができる。音波の反射角θ２は、入射角θ１とくさび状弾性体スペーサ４２の音速Ｃ１とＹＩＧ層４１の音速Ｃ２により、Ｃ１／ｓｉｎθ１＝Ｃ２／ｓｉｎθ２となる。
　この場合、Ｐｔ膜４４１，４４２，４４３の長手方向（図の奥行き方向）に一対の電極を設けると電圧を取り出すことができ、電極を設けなければ、スピン流源とすることができる。
　次に、図１０を参照して、本発明の実施例４の表面弾性波－スピン流変換素子を説明するが、この実施例４は、上述の実施例３において、表面弾性波の進行方向の途中に表面弾性波増幅器４５を設けたもので、その他の構成は上記の実施例３と同様である。
表面弾性波は、音響不安定性を用いることによって増幅することができる。このような音響不安定性を誘起するためには、表面弾性波が発生しているＹＩＧ層４１にＧａＡｓ、Ｓｉ等の半導体膜やガンダイオードを取り付けて表面弾性波増幅器４５とする。この半導体膜やガンダイオードに音波を超えるドリフト速度を有する電流を流すことによって、音響不安定が発生し、表面弾性波が増幅される。
これは、電子のドリフト速度が音速を超えた場合、電流のエネルギーが音波に渡されることに起因する。具体的には、例えば、市販の高出力ＤＣ電源を用いて、表面弾性波増幅器４５にリード線を付けて音波伝搬方向に電流を流せば良い。
このように、本発明の実施例４においては、音響不安定性を誘起する表面弾性波増幅器を設けているので、従来よりもはるかに遠くまでスピン情報を輸送することができる。なお、この実施例４においては磁性体部材として絶縁体のＹＩＧ層４１を用いているが、導電性の磁性体を用いた場合には、磁性体自体に音波を超えるドリフト速度を有する電流を流すようにしても良い。
次に、図１１を参照して、本発明の実施例５の表面弾性波－スピン流変換素子を説明する。図１１は、本発明の実施例５の表面弾性波－スピン流変換素子の概念的斜視図であり、ＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板５１の一方の端部にＴｉ／Ａｕ二層膜からなるすだれ状電極５２を設け、表面弾性波の進行方向にＹＩＧ膜５３を成膜し、その上に複数のＰｔ膜５４１，５４２，５４３を成膜する。
ここでは、すだれ状電極５２の電極線幅ｈを５μｍ、間隙ａを５μｍとし、横２ｍｍ、縦５ｍｍのサイズとする。従って、電極のピッチｄはｄ＝ｈ＋ａとなり、電極のパターンの波長λはλ＝２ｄであるので、２０μｍとなる。これを圧電基板５１の音速で割ると表面弾性波の周波数となる。因みに、ＬｉＮｂＯ３基板ならば基本周波数は１７２ＭＨｚになる。
本発明の実施例５においては、くさび状弾性体スペーサを用いることなく、すだれ状電極を用いているので、より簡便に且つ高効率に表面弾性波を発生することができる。なお、この場合も、複数のＰｔ膜５４１，５４２，５４３の間に表面弾性波増幅器を設けても良い。

Claims (9)

  1. 音波発生部材と、
    前記音波発生部材からの音波によりスピン流を発生する磁性体部材と、
    前記磁性体部材で発生したスピン流が注入される逆スピンホール効果部材と、
    前記磁性体部材の磁化方向を規制する磁場印加手段と
    を有する音波－スピン流変換素子。
  2. 　前記音波発生部材が、前記磁性体部材と直接主表面同士が接しており、前記磁性体部材に注入される音波が、バルク音波である請求項１に記載の音波－スピン流変換素子。
  3. 　前記音波発生部材が、前記磁性体部材とくさび状弾性体スペーサを介して接しており、前記磁性体部材に注入される音波が、表面弾性波である請求項１に記載の音波－スピン流変換素子。
  4. 　前記音波発生部材が、表面弾性波を発生させるすだれ状電極を備えた圧電体部材であり、前記磁性体部材は、前記表面弾性波の進行方向において、前記圧電体部材と主表面同士が接している請求項１に記載の音波－スピン流変換素子。
  5. 　前記磁性体部材に、前記表面弾性波を増幅する表面弾性波増幅器を備えている請求項３または請求項４に記載の音波－スピン流変換素子。
  6. 　前記逆スピンホール効果部材が、前記表面弾性波の進行方向において、複数個所に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の音波－スピン流変換素子。
  7. 前記磁性体部材が、Ｙ３Ｆｅ５-ｘＧａｘＯ１２（但し、０≦ｘ＜５）からなる請求項１に記載の音波－スピン流変換素子。
  8. 　前記逆スピンホール効果部材が、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｂｉ、或いは、ｆ軌道或いは３ｄ軌道を有する遷移金属を有する元素、若しくはそれらの合金のいずれかを有する元素のいずれか、或いは、前記各材料とＣｕ、Ａｌ、或いは、Ｓｉの合金のいずれかである請求項１に記載の音波－スピン流変換素子。
  9. 前記逆スピンホール効果部材が、逆スピンホール効果により電圧を取り出すための一対の電極を有している請求項１に記載の音波－スピン流変換素子。
     
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