(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性体からなるスピン注入子と、
強磁性体からなるスピン検出子と、
非磁性体からなるチャネル部と、
を有するスピンバルブ素子であって、
前記スピン検出子は、前記スピン注入子から離間した位置に配置され、
前記チャネル部は、前記スピン注入子及び前記スピン検出子に直接又は絶縁層を介して接続され、前記チャネル部には、前記スピン注入子の接合位置と前記スピン検出子の接合位置との間に、スピン流に直交する方向の断面積が拡大されたスピン拡散部が複数形成され、
前記スピン拡散部は、スピン注入子からスピン検出子へ向かう第１方向の経路のスピン抵抗が、スピン検出子からスピン注入子へ向かう第２方向の経路のスピン抵抗よりも小さくなるように形成されているスピンバルブ素子。
【請求項２】
前記スピン拡散部は、前記断面積が最大となる先端部を有し、
前記スピン流に直交する方向の前記スピン拡散部の断面積の変化率は、前記スピン注入子側から前記先端部へ向かう場合の方が、前記先端部から前記スピン検出子側へ向かう場合に比べて小さい請求項１に記載のスピンバルブ素子。
【請求項３】
前記スピン注入子、前記スピン検出子及び前記チャネル部は、基板上に形成されており、
前記スピン注入子及び前記スピン検出子が基板の主面と平行な方向に互いに離間して配置される請求項１又は２に記載のスピンバルブ素子。
【請求項４】
前記スピン拡散部は、前記基板の上面からみて、前記断面積が最大となる先端部を通り、前記スピン流に直交する方向に伸びる線を基準として非対称に形成されている請求項３に記載のスピンバルブ素子。
【請求項５】
前記スピン拡散部は、前記基板の上面からみて、前記チャネル部の軸線を基準として対称に形成されている請求項４に記載のスピンバルブ素子。
【請求項６】
非局所的手法を用いて電圧を検出する請求項１〜５の何れか一項に記載のスピンバルブ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピンバルブ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、スピンエレクトロニクスの分野では、電子のスピン状態を利用したスピンバルブ素子が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。このスピンバルブ素子は、強磁性体からなるスピン注入子及びスピン検出子と、スピン注入子及びスピン検出子を橋渡しした非磁性体からなるチャネル部を備えており、いわゆる非局所的手法により、スピン注入子とスピン検出子との間のチャネル部に電荷の流れを伴わないスピン流を発生させ、スピン検出子とチャネル部との界面に発生するスピン蓄積電圧を検出する。また、スピンバルブ素子において、スピン流すなわち電子の角運動量の流れは、スピン注入子からの距離とスピンの拡散長とに依存して指数関数的に減衰することが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１５１３０７号公報
【特許文献２】特開２００９−１５８５５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
スピンバルブ素子を設計するにあたっては、上記スピン流の減衰を考慮してスピン注入子とスピン検出子との間の長さを設定する必要がある。すなわち、スピン注入子とスピン検出子との間の長さは減衰後のスピン流が検出可能である長さでなければならないという一定の制約があるため、スピン注入子及びスピン検出子の配置の自由度に制限があるとともに、上記制約を満たすことができる加工技術が要求される。このため、本技術分野ではスピン流の減衰を抑制することができるスピンバルブ素子が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一側面に係るスピンバルブ素子は、強磁性体からなるスピン注入子と、強磁性体からなるスピン検出子と、非磁性体からなるチャネル部と、を有するスピンバルブ素子であって、スピン検出子は、スピン注入子から離間した位置に配置され、チャネル部は、スピン注入子及びスピン検出子に直接又は絶縁層を介して接続され、チャネル部には、スピン注入子の接合位置とスピン検出子の接合位置との間に、スピン流に直交する方向の断面積が拡大されたスピン拡散部が複数形成され、スピン拡散部は、スピン注入子からスピン検出子へ向かう第１方向の経路のスピン抵抗が、スピン検出子からスピン注入子へ向かう第２方向の経路のスピン抵抗よりも小さくなるように形成されている。
【０００６】
このように構成することで、強磁性体からなるスピン注入子と非磁性体からなるチャネル部とに電流又は電圧を印加すると、チャネル部にスピン検出子へ向けてスピン流が生じる。チャネル部の一部には、スピン流に直交する方向の断面積が拡大されたスピン拡散部が形成されているため、チャネル部に発生したスピン流は、スピン拡散部にてスピン流に直交する方向に拡散させられる。このように、スピン拡散部の形状によってスピン流の拡散を制御することができるため、例えば、スピン拡散部の形状を、スピン注入子からスピン検出子へ向かうスピン流の方が、スピン検出子からスピン注入子へ向かうスピン流よりも流れやすい形状とすることが可能となる。すなわち、スピン拡散部の形状を制御することによって、所望の方向のスピン流の減衰を抑制することができる。よって、スピン流の減衰が抑制されることから、スピン注入子とスピン検出子との間を拡大させることができるため、設計の自由度が向上する。また、チャネル部にスピン拡散部が複数形成されているため、より効率的にスピンを拡散することができる。さらに、このように構成することで、第１方向の経路のスピン抵抗は第２方向の経路のスピン抵抗より低くなる。このため、チャネル部を第１方向へ流入するスピン流の拡散と、第２方向へ流入するスピン流の拡散とに差が生じるため、例えば第１方向のスピン流の減衰を抑制することができる。
【０００９】
一実施形態では、スピン拡散部は、断面積が最大となる先端部を有し、スピン流に直交する方向のスピン拡散部の断面積の変化率は、スピン注入子側から先端部へ向かう場合の方が、先端部からスピン検出子側へ向かう場合に比べて大きくされていてもよい。【００１０】
このように構成することで、スピン注入子側から拡散部の断面積が最大となる先端部まで流れるスピン流の拡散の程度と、先端部からスピン検出子側へ流れるスピン流の拡散の程度とが同一とならず、スピン注入子からスピン検出子へ向かうスピン流を流れやすくすることができる。よって、スピン流の減衰を抑制することが可能となる。【００１１】
一実施形態では、スピン注入子、スピン検出子及びチャネル部は、基板上に形成されており、スピン注入子及びスピン検出子が基板の主面と平行な方向に互いに離間して配置されていてもよい。このように、いわゆる面内スピンバルブ構造において、スピン流の減衰を抑制することができる。【００１２】
一実施形態では、スピン拡散部は、基板の上面からみて、前記断面積が最大となる先端部を通り、スピン流に直交する方向に伸びる線を基準として非対称に形成されていてもよい。このように、先端部を通る線を基準としてスピン拡散部を非対称とすることで、スピン注入子からスピン検出子へ流れるスピン流の拡散の程度と、スピン検出子からスピン注入子へ流れるスピン流の拡散の程度とが同一とならず、例えばスピン注入子からスピン検出子へ向かうスピン流を流れやすくすることができるため、スピン流の減衰を抑制することが可能となる。【００１３】
一実施形態では、スピン拡散部は、基板の上面からみて、チャネル部の軸線を基準として対称に形成されていてもよい。スピン流はチャネル部の軸線方向に沿って発生する。上記構成とすることで、スピン流の伝搬が軸線方向を基準に対称となるため、軸線方向へのスピン流を流れやすくすることができる。【００１５】
一実施形態では、非局所的手法を用いて電圧を検出してもよい。このように構成することで、電荷の流れを伴わないスピン偏極電子の流れやすさを制御することができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明の一側面及び実施形態によれば、スピン流の減衰を抑制することができるスピンバルブ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係るスピンバルブ素子の斜視図である。
【図２】一実施形態に係るスピンバルブ素子の上面図である。
【図３】スピン拡散部の変形例を示す概要図である。
【図４】シミュレーションにおけるスピンバルブ素子と注入されるスピンの関係を示す概要図である。
【図５】シミュレーションにおいて用いたモデルを示す概要図である。
【図６】スピン流が伝搬するシミュレーション結果を示す概要図である。
【図７】スピン流が伝搬するシミュレーション結果を示す概要図である。
【図８】スピン流の電流密度のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図９】スピン拡散部の先端部の大きさと、スピン流の電流密度の変化との関係をあらわすシミュレーション結果のグラフである。
【図１０】スピン拡散部の断面積の大きさと、スピン流の電流密度の変化との関係をあらわすシミュレーション結果のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態について具体的に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１９】
一実施形態に係るスピンバルブ素子は、例えばいわゆる面内スピンバルブ構造を有する素子として好適に採用されるものである。図１は、一実施形態に係るスピンバルブ素子１０の斜視図である。図２は本実施形態に係るスピンバルブ素子１０の上面図である。
【００２０】
図１及び図２に示すように、スピンバルブ素子１０は、基板２０上に形成された、スピン注入子１２、チャネル部１４及びスピン検出子１６を備えている。基板２０は、例えばＳｉ，ＧａＡｓ，ＭｇＯ基板などの半導体や絶縁体基板が用いられる。スピン注入子１２、チャネル部１４及びスピン検出子１６は、チャネル部１４がスピン注入子１２及びスピン検出子１６を橋渡しするようにスピン注入子１２及びスピン検出子１６に接続された面内スピンバルブ構造を形成している。
【００２１】
スピン注入子１２は、チャネル部１４へスピンを注入する端子であり、例えば線形部材である。スピン注入子１２は、その軸線方向が面内方向（基板面に平行な方向）と一致するように基板２０上に配置されている。スピン注入子１２は、所定方向に磁化された強磁性体からなり、例えばＦｅ、ＮｉＦｅ等により形成される。図１に示すスピン注入子１２中の破線矢印は、スピン注入子１２の磁化方向をあらわしている。スピン注入子１２の線幅は、例えば１０μｍ以下とされる。また、スピン注入子１２の線幅は、例えば、０．１μｍ以上であってもよい。スピン注入子１２及びチャネル部１４は、互いに接触（直接的に接合）している。スピン注入子１２の一端部には、電流又は電圧印加用の端子部１２ａが形成されていてもよい。なお、スピン注入子１２は、チャネル部１４上に配置されていてもよい。また、スピン注入子１２とチャネル部１４とは、絶縁層を介して接合していてもよい。
【００２２】
スピン検出子１６は、チャネル部１４からスピンを検出する端子であり、例えば線形部材である。スピン検出子１６は、基板２０上であって、基板２０の主面と平行な方向にスピン注入子１２と離間して配置されている。スピン検出子１６は、その軸線方向が面内方向と一致するように基板２０上に配置されている。スピン検出子１６は、所定方向に磁化された強磁性体からなり、例えばＦｅ、ＮｉＦｅ等により形成される。磁化方向は、スピン注入子１２の磁化方向と平行又は反平行とされる。図１に示すスピン検出子１６中の破線矢印は、スピン検出子１６の磁化方向をあらわしており、例えば、スピン注入子１２の磁化方向と平行な磁化方向をあらわしている。スピン検出子１６の線幅は、例えば１０μｍ以下とされる。また、スピン検出子１６の線幅は、例えば、０．１μｍ以上であってもよい。スピン検出子１６及びチャネル部１４は、互いに接触（直接的に接合）している。なお、スピン検出子１６は、チャネル部１４上に配置されていてもよい。また、スピン検出子１６とチャネル部１４とは、絶縁層を介して接合していてもよい。
【００２３】
チャネル部１４は、線形部材であって、その軸線Ｌ１の方向が面内方向と一致するように配置されている。チャネル部１４は、スピン注入子１２及びスピン検出子１６に直接又は絶縁層を介して接続されている。スピン注入子１２及びスピン検出子１６の接合位置は、チャネル部１４の両端部から離間した位置とされている。チャネル部１４は、非磁性体からなり、例えばＳｉもしくはヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）などの半導体材料、又は、ＡｇもしくはＣｕ等の非磁性金属により形成される。チャネル部１４の一端部（両端部のうちスピン注入子１２に近い端部）には、電流又は電圧印加用の端子部１４ａが形成されている。チャネル部１４は、例えば基板２０上に積層させた半導体層をメサ状に加工することによって形成されていてもよい。チャネル部１４の線幅は、例えば１０μｍ以下とされる。また、チャネル部１４の線幅は、例えば、０．１μｍ以上であってもよい。
【００２４】
チャネル部１４の一部には、チャネル部１４に発生するスピン流を制御するためのスピン拡散部が形成されている。ここでは、一例として、チャネル部１４に５つのスピン拡散部３０〜３４が形成されている。具体的には、スピン拡散部３０〜３４は、スピン注入子１２の接合位置とスピン検出子１６の接合位置との間に形成されている。スピン拡散部３０〜３４は、チャネル部１４に発生するスピン流において、スピン注入子１２からスピン検出子１６へ向かう第１方向Ｌ１の経路のスピン抵抗が、スピン検出子１６からスピン注入子１２へ向かう第２方向Ｌ２の経路のスピン抵抗よりも小さくなる形状で形成されている。
【００２５】
各スピン拡散部３０〜３４は、ここでは同一の形状を有しているため、スピン拡散部３０を例にして説明する。スピン拡散部３０は、スピン注入子１２と接する接合部からスピン検出子１６と接する接合部へ流れるスピン流に直交する方向のチャネル部１４の断面積を他の箇所のチャネル部１４の断面積よりも拡大させることで形成されている。例えば、スピン拡散部３０は、チャネル部１４の軸線Ｍ１を基準としてチャネル部１４の断面積を幅方向に対称に拡大させることで形成されている。スピン拡散部３０の幅方向の形状を対称とすることで、スピン流の伝搬が軸線方向を基準に対称となるため、第１方向Ｌ１又は第２方向Ｌ２へのスピン流に与える影響を少なくしつつ、幅方向へのスピン流に影響を与えることができる形状とすることができる。また、スピン拡散部３０は、例えばスピン流に直交する方向の断面積が最大となる先端部３０ａを有している。そして、スピン拡散部３０は、基板２０の上面からみて、先端部３０ａを通り、スピン流に直交する方向に伸びる線Ｍ２を基準として非対称に形成されている。例えば、スピン拡散部３０は、スピン注入子１２側から先端部３０ａへ向かう場合の断面積の変化率の方が、先端部３０ａからスピン検出子１６側へ向かう場合の断面積の変化率に比べて大きくなるような形状とされる。例えば、チャネル部１４の両側部が幅方向外側へ拡大されており、該拡大された部分が基板２０の上面からみて先端部３０ａを頂点とした直角三角形状とされている。スピン拡散部３０のスピン流に沿った方向の長さが、スピン拡散部が形成されていないチャネル部１４の部分のスピン流に直交する方向の長さの３倍のとき、上記断面積は、スピン拡散部が形成されていないチャネル部１４の部分のスピン流に直交する方向の断面積の１．２倍から３．０倍に形成されていてもよい。なお、先端部３０ａは、スピン拡散部３１〜３４の先端部３１ａ〜３４ａに対応している。
【００２６】
上記構成を有するスピンバルブ素子１０は、以下のように動作する。ここでは、以下に示す非局所的手法によって電圧を検出する。非局所的手法は、電流の流れている部分に生じる電圧を測定する局所的手法と異なり、電流の流れていない部分にスピンの拡散伝導を生じさせスピン分極によって発生する電位差を測定する手法である。
【００２７】
まず、図１に示すように、スピン注入子１２の端子部１２ａとチャネル部１４の端子部１４ａとの間に電流が印加される（図１中白矢印）。これにより、スピン注入子１２の磁化方向と反平行となるスピンがチャネル部１４へ注入される。チャネル部１４に注入されたスピンは、チャネル部１４の両端部へ伝搬する。すなわち、スピン注入子１２とスピン検出子１６との間においては、第１方向Ｌ１へスピンが伝搬する。このとき、第１方向Ｌ１へ伝搬するスピンを打ち消す方向（第２方向Ｌ２）に、第１方向Ｌ１へ伝搬するスピンとは反平行のスピンが流れる。即ち、例えば、図１に示すように、第１方向Ｌ１へ上向きスピンが伝搬した場合、第２方向Ｌ２に下向きスピンが流れる。このため、スピン注入子１２とスピン検出子１６との間においては、電荷の流れは存在しないが、第１方向Ｌ１へのスピン流と、第２方向へのスピン流が生じる。言い換えれば、スピン注入子１２とスピン検出子１６との間には、電荷の流れを伴わないスピン流が発生する。
【００２８】
ここで、対比のために従来のスピンバルブ素子のチャネル部に発生するスピン流を概説する。従来のスピンバルブ素子では、第１方向Ｌ１へのスピン流と、第２方向Ｌ２へのスピン流とは同一の伝搬の速度で流れ、両者はスピンが伝搬する距離に応じて指数関数的に減少する。上向きスピンの逆方向への移動は下向きスピンの順方向への移動とみなすことができるため、第１方向Ｌ１へのスピン流と第２方向Ｌ２へのスピン流との差で表される、トータルのスピン流としても、伝搬する距離に応じて指数関数的に減少する。
【００２９】
これに対して、チャネル部１４を伝搬するスピンは、第１方向及び第２方向に伝搬するだけでなく、スピン拡散部３０によって幅方向へ拡散させられる。スピン拡散部３０の形状は、第１方向Ｌ１へのスピン流の拡散の度合いと、第２方向Ｌ２へのスピン流の拡散の度合いが異なるように形成されている。ここでは、第１方向Ｌ１へのスピン流の拡散の度合いの方が、第２方向Ｌ２へのスピン流の拡散の度合いよりも大きくされている。すなわち、第１方向Ｌ１のスピン抵抗が第２方向Ｌ２のスピン抵抗よりも小さくされている。このため、第２方向Ｌ２へのスピン流は、スピン拡散部３０を設けない場合に比べて伝搬しにくくなり、他方、第１方向へのスピン流は、スピン拡散部３０を設けない場合に比べて伝搬しやすくなる。すなわち、第１方向へのスピン流の減衰が抑制される。このため、本実施形態に係るスピンバルブ素子１０では、第１方向Ｌ１へのスピン流と、第２方向Ｌ２へのスピン流とはスピンが伝搬する距離に応じて指数関数的に減少するものの、第１方向Ｌ１へのスピン流の減衰が抑制されていることから、第１方向Ｌ１へのスピン流の方が第２方向Ｌ２へのスピン流よりも相対的にスピン拡散長が長くなる。よって、トータルのスピン流としても減衰が抑制され、結果としてスピン流が増大する。
【００３０】
以上、本実施形態に係るスピンバルブ素子１０によれば、チャネル部１４の一部にスピン流に直交する方向の断面積が拡大されたスピン拡散部３０が形成されており、該スピン拡散部３０の形状は、スピン注入子１２からスピン検出子１６へ向かう第１方向Ｌ１のスピン流の方が、スピン検出子１６からスピン注入子１２へ向かう第２方向Ｌ２のスピン流よりも流れやすい形状とされているため、第１方向Ｌ１のスピン流の減衰を抑制することができる。よって、チャネル部１４の全体のスピン流の減衰が抑制されることから、結果としてスピン流を増大することが可能となる。このため、スピン注入子とスピン検出子との間を拡大させることができるため、設計の自由度が向上する。また、スピン拡散長の制御をチャネル部の材料によって制御するのではなく、形状によって制御することができるため、材料に捕らわれない素子設計が可能となる。また、基板２０上に積層・エッチング等を行うことによりスピンバルブ素子１０を製造することができるため、従来の半導体技術で容易に製造可能である。
【００３１】
上述した実施形態は、本発明に係るスピンバルブ素子の一例を示すものである。本発明に係るスピンバルブ素子は、実施形態に係るスピンバルブ素子１０に限られるものではなく、変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
【００３２】
例えば、上述した実施形態では、スピン拡散部３０の形状として、チャネル部１４の両側部が幅方向外側へ拡大され、該拡大された部分が基板２０の上面からみて先端部３０ａを頂点とした直角三角形状（ラチェット形状）となる例を説明したが、先端部３０ａを通る線Ｍ２を基準として非対象であれば、他の形状であってもよい。例えば、鋭角三角形や、鈍角三角形であってもよい（図３の（Ａ）参照）。また、面内方向に限られず三次元的に非対称な形状を有していても良い。
【００３３】
また、上述した実施形態では、スピン拡散部３０の形状として、チャネル部１４の軸線を基準として対称である例を説明したが、チャネル部１４の軸線を基準として非対称であってもよい。例えば、図３の（Ｂ）に示すように、チャネル部１４の両側部のうち一方の側部のみが幅方向外側へ拡大されていてもよい。
【００３４】
また、上述した実施形態では、スピン拡散部３０〜３４が１つのスピン拡散部を構成している例を説明したが、図３の（Ｃ）に示すようにスピン拡散部３０のみであってもよいし、５つ以外の複数のスピン拡散部３０を有していてもよい。チャネル部１４は、両側部のうち一方の側部にスピン拡散部３０を１つ以上有していてもよい。
【００３５】
また、上述した実施形態では、スピン拡散部３０〜３４は同一の形状を有する例を説明したが、図３の（Ｄ），（Ｅ）に示すように同一でなくてもよい。例えば、図３の（Ｄ）に示すように、スピン拡散部３０〜３４は、基板２０の上面からみて、先端部３０ａを頂点とする三角形状が小さくなる傾向にあることを特徴としてもよい。また、例えば、図３の（Ｅ）に示すように、スピン拡散部３０〜３４は、基板２０の上面からみて、先端部３０ａを頂点とする三角形状が大きくなる傾向にあることを特徴としてもよい。
【００３６】
また、スピンバルブ素子１０の各構成部材の大きさは、特に限定されず、マイクロオーダーの部材であってもよいし、ナノオーダーの部材であってもよい。
【００３７】
さらに、上述した実施形態では、面内スピンバルブ構造を有するスピンバルブ素子１０を例に説明したが、例えば積層方向にスピン注入子及びスピン検出子がチャネル部を挟んだ構造であってもよい。
【実施例】
【００３８】
以下図４から図７を用いて、上記効果を説明すべく本発明者が実施した実施例及び比較例について述べる。【００３９】
（減衰抑止効果の確認）
（実施例１）
まず、図４の（Ａ）及び図５の（Ａ）に示すモデル１４０を用いてシミュレーションを行った。モデル１４０によりスピンバルブ素子１０のチャネル部１４を数値的に再現し、注入したスピンの拡散について有限要素法により計算した。なお、シミュレーションにおいては、スピンの拡散を電子の拡散と置き換え、電流密度を計算した。【００４０】
モデル１４０の一端Ｉｐは印加点とし、印加点Ｉｐから下向きスピンＳｄを注入した。モデル１４０は、図中左から右へ発生する下向きスピンＳｄのスピン流をシミュレーションするためのモデルである。長手軸方向の長さＬを２５００ｎｍとし、長手軸方向と垂直な方向の幅Ｗを１００ｎｍとし、厚さを１ｎｍとした。印加点Ｉｐからスピン拡散部３００が形成される距離ｌｉは１００ｎｍとした。各スピン拡散部３００から３４０の幅ｂは１００ｎｍとし、高さｈは５０ｎｍとした。印加点Ｉｐからスピン検出子側に最も遠いスピン拡散部の端点ｂ０から測定点Ｍｐまでの距離ｌｍを５０ｎｍとした。また材料は銅を仮定し、スピンの緩和の時定数τを１２ｐｓとした。【００４１】
上記モデル１４０において、印加点Ｉｐから、下向きスピンＳｄを注入した。結果を図６に示す。図６では、スピン流の変化を図６の（ａ）から（ｅ）で時系列に示している。図６に示すように、下向きスピンＳｄは時間の経過に従い図中左から右へ伝搬するとともにスピン拡散部にて幅方向へ拡散することが確認された。そして、測定点Ｍｐで下向きスピンＳｄの個数を計算し、電流密度を求めた。【００４２】
次に、図４の（Ｂ）及び図５の（Ｂ）に示すモデル１４２を用いてシミュレーションを行った。モデル１４２は、図中右から左へ発生する上向きスピンＳｕのスピン流をシミュレーションするためのモデルであり、モデル１４０と比較して、スピンの印加点Ｉｐと、測定点Ｍｐとが反対となっている点が相違する。なお、モデル１４０のスピン拡散部の形成位置とモデル１４２のスピン拡散部の形成位置とが異なっているが、これは測定点Ｍｐ以降の経路においてスピン流の反射等が起こることによるノイズを無くすためのものであり、実質的な差異ではない。モデル１４２を用いて、スピンバルブ素子１０のチャネル部１４に対して、スピンの印加点Ｉｐと、測定点Ｍｐとが反対側に配置した構造を数値的に再現した。【００４３】
上記モデル１４２において、印加点Ｉｐから、上向きスピンＳｕを注入した。結果を図７に示す。図７では、スピン流の変化を図７の（ａ）から（ｅ）で時系列に示している。図７に示すように、上向きスピンＳｕは時間の経過に従い図中右から左へ伝搬するとともにスピン拡散部にて幅方向へ拡散することが確認された。さらに、その拡散の程度は、モデル１４０でシミュレーションした場合と異なることが確認された。すなわち、上記実施形態で説明したスピン拡散部を備えることで、スピン注入子からスピン検出子へ向かうスピン流と、スピン検出子からスピン注入子へ向かうスピン流との拡散の程度に変化を付けることができることが確認された。そして、測定点Ｍｐで上向きスピンＳｕの個数を計算し、電流密度を求めた。【００４４】
（比較例１）
高さｈが０である点以外は、実施例と同一のシミュレーションを行った。【００４５】
以上より、実施例１のシミュレーション結果及び比較例１のシミュレーション結果を得た。評価は、測定点Ｍｐで計測した上向きスピンと下向きスピンの個数との差から電流密度の値とした。図８に結果を示す。【００４６】
図８において、実施例１のシミュレーション結果を示した。図８により、実施例１と比較例１の電流密度の時間変化をあらわした。図８の縦軸は、下向きスピンＳｄの個数から上向きスピンＳｕの個数を減算することで得られる電流密度の差を表した。図８の横軸は、シミュレーションにおける時間経過を示した。【００４７】
図８に示すように、実施例１の電流密度の差は、有限の値を示した。すなわち、スピン注入子からスピン検出子へ向かうスピン流の伝搬と、スピン検出子からスピン注入子へ向かうスピン流の伝搬とに差が生じていることが確認された。さらに、比較例１の電流密度の差は０であった。このことから、拡散部の形状を制御することで、スピン流の減衰を抑制することが可能であることが確認された。【００４８】
（拡散部の最適値の検証）
（実施例２）
幅ｂが３００ｎｍ、高さｈが、１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍ、４０ｎｍ、５０ｎｍ、６０ｎｍ、７０ｎｍ、７５ｎｍ、８０ｎｍ、９０ｎｍ、及び１００ｎｍである点以外は、実施例１と同一のシミュレーションを行った。【００４９】
以上より、実施例２のシミュレーション結果を得た。評価は、測定点Ｍｐで計測した上向きスピンと下向きスピンの個数との差から電流密度の値とした。図９に結果を示す。【００５０】
図９において、実施例２のシミュレーション結果を示した。図９により、実施例２の電流密度の時間変化をあらわした。図９の縦軸は、下向きスピンＳｄの個数から上向きスピンＳｕの個数を減算することで得られる電流密度の差を表した。図９の横軸は、シミュレーションにおける時間経過を示した。また、図９の挿入図は、時間が６．３０ｐｓ付近における拡大図である。【００５１】
図９に示すように、実施例２における各高さｈの電流密度差は、有限の値を示した。このため、幅ｂが幅Ｗの３倍のとき、スピン拡散部の断面積は、スピン拡散部が形成されていないチャネル部の部分のスピン流に直交する方向の断面積の１．２倍から３．０倍に形成されていてもよい。即ち、スピン拡散部がチャネル部の上面からみて先端部を頂点とした直角三角形状とした場合、直角三角形状のチャネル部と平行な一辺の長さが、チャネル部のスピン流に直交する方向の長さの３倍のとき、スピン拡散部の断面積を１．２〜３．０倍になるように上記スピン拡散部を拡大してもよいことが確認された。【００５２】
（実施例３）
幅ｂが１００ｎｍ、１５０ｎｍ、２００ｎｍ、２５０ｎｍ、３００ｎｍ、３５０ｎｍ、４００ｎｍ、４５０ｎｍ、高さｈが、５０ｎｍ、６０ｎｍ、７０ｎｍ、７５ｎｍ、８０ｎｍである点以外は、実施例１と同一のシミュレーションを行った。【００５３】
以上より、実施例３のシミュレーション結果を得た。評価は、測定点Ｍｐで計測した上向きスピンと下向きスピンの個数との差から電流密度の値とした。図１０に結果を示す。【００５４】
図１０において、実施例３のシミュレーション結果を示した。図１０の各軸は、軸ｂはスピン拡散部の幅を示し、軸ｈはスピン拡散部の高さを示し、軸Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅは、下向きスピンＳｄの個数から上向きスピンＳｕの個数を減算することで得られる電流密度の差を示した。【００５５】
図１０は、各高さｈと幅ｂにおいて、電流密度の差が最大になる高さｈと幅ｂの組み合わせを示した。またその時の電流密度の差の値を示した。このことから、スピン拡散部の高さと底辺の長さを変化させた場合、スピンの拡大領域がチャネル部に存在することにより、上向きスピン及び下向きスピンの流れに有意な差が生じることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
スピンバルブ素子１０は、産業上、以下のような利用可能性を有している。例えば、ナノスケールの回路における抵抗素子として、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）や、ＮＥＭＳ（Ｎａｎｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）などの分野で利用することができる。またスピンバルブ素子１０は、電子・電気分野、医療関係分野等の機器部品、素子として使用できる。
【符号の説明】
【００５７】
１０…スピンバルブ素子、１２…スピン注入子、１２ａ…端子部、１４…チャネル部、１４ａ…端子部、１６…スピン検出子、２０…基板、３０、３１、３２、３３、３４…スピン拡散部、３０ａ、３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａ…先端部、１４０、１４２…モデル、３００、３１０、３２０、３３０、３４０、３０２、３１２、３２２、３３２、３４２…スピン拡散部、Ｓｕ…上向きスピン、Ｓｄ…下向きスピン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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