(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一金属から構成された金属薄膜のスピン軌道相互作用の強さを制御するスピン軌道相互作用の制御方法であって、
前記金属薄膜の厚さによりスピン軌道相互作用の強さを制御する
ことを特徴とするスピン軌道相互作用の制御方法。
【請求項２】
単一金属から構成された金属薄膜のスピン軌道相互作用の強さを制御するスピン軌道相互作用の制御方法であって、
前記金属薄膜の結晶状態を単結晶状態または多結晶状態のいずれかにすることによりスピン軌道相互作用の強さを制御する
ことを特徴とするスピン軌道相互作用の制御方法。
【請求項３】
請求項２記載のスピン軌道相互作用の制御方法において、
前記結晶状態に加えて前記金属薄膜の厚さによりスピン軌道相互作用の強さを制御する
ことを特徴とするスピン軌道相互作用の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属におけるスピン軌道相互作用の強さを制御するスピン軌道相互作用の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで、スピン軌道相互作用の強い材料系におけるスピン流の生成には、スピンホール効果が用いられてきた。金属におけるスピン流の生成では、スピン軌道相互作用に起因する外因性スピンホール効果が用いられる。これは、スピン軌道相互作用の強いＰｔやＴａなどの金属に電流を流すと、金属中の不純物や結晶粒界で散乱された電子スピンが、スピンの向きに依存して逆方向に散乱され、電流方向に対して垂直方向逆向きに上向きスピンと下向きスピンとが分離する効果である。
【０００３】
上述したスピンホール効果は、ＧａＡｓ半導体においてはじめて観測されている（非特許文献１，非特許文献２参照）。電流を流すと、流した電流と垂直方向にスピン流が流れ、スピン上向きと下向きの電子がチャネルエッジに蓄積される。また、金属においてもスピンホール効果を用いたスピン流の検出が可能となっている（非特許文献３参照）。このスピンホール効果によれば、非磁性体だけでスピン流を生み出すことが可能であるため、スピン偏極を利用するスピントロニクスにおいて重要なスピン生成・検出の技術となる。この技術を用いることで、近年、金属中のスピン偏極の検出や磁化反転などが実現できるようになってきた。
【０００４】
ところで、金属を用いたスピンホール効果では、ＰｔやＴａそしてＷなどの原子番号の大きな材料が用いられてきた。この理由は、金属におけるスピン軌道相互作用は材料の原子番号の大きさに比例するため、結晶構造よりも材料そのものに依存すると考えられたためである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Y. K. Kato et al., "Observation of the Spin Hall Effect in Semiconductors", Science, vol.306, pp.1910-1913, 2004.
【非特許文献２】J. Wunderlich et al., "Experimental Observation of the Spin-Hall Effect in a Two-Dimensional Spin-Orbit Coupled Semiconductor System", Physical Review Letters, vol.94, no.4, 047204(4), 2005.
【非特許文献３】S. O. Valenzuela and M. Tinkham, "Direct electronic measurement of the spin Hall effect", Nature, vol.442, pp.176-179, 2009.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、従来では、スピン流の状態は、材料固有として考えられており、材料を変えることでスピン流の向きや量を制御していた。しかし、このことは、スピン軌道相互作用を大きくするためには、材料の選択が必要になる。また、従来用いられている上述した金属材料は、必ずしも強磁性体材料との組み合わせが良いとは限らないことから、強磁性体／非磁性金属構造などを用いたメモリ素子開発においては、材料選択の幅を狭めてしまうことになる。このように、従来では、スピン流の状態制御の自由度が低いという問題があった。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より高い自由度でスピン流の状態が制御できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るスピン軌道相互作用の制御方法は、単一金属から構成された金属薄膜のスピン軌道相互作用の強さを制御する方法であり、金属薄膜の厚さによりスピン軌道相互作用の強さを制御する。
【０００９】
また、本発明に係るスピン軌道相互作用の制御方法は、単一金属から構成された金属薄膜のスピン軌道相互作用の強さを制御する方法であり、金属薄膜の結晶状態を単結晶状態または多結晶状態のいずれかにすることによりスピン軌道相互作用の強さを制御する。
【００１０】
上記スピン軌道相互作用の制御方法において、結晶状態に加えて金属薄膜の厚さによりスピン軌道相互作用の強さを制御するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したことにより、本発明によれば、より高い自由度でスピン流の状態が制御できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、ＧａＡｓ基板の上に形成した多結晶Ｐｔ薄膜のＸ線回折パターンを示す特性図である。
【図２】図２は、ＭｇＯ基板の上に形成した単結晶Ｐｔ薄膜のＸ線回折パターン（ａ）を示す特性図およびＲＨＥＥＤパターンを示す写真（ｂ），（ｃ）である。
【図３】図３は、多結晶Ｐｔ薄膜（ａ）および単結晶Ｐｔ薄膜（ｂ）の各々について、異なる膜厚における磁気伝導測定をした結果を示す特性図である。
【図４】図４は、多結晶Ｐｔ薄膜のスピン緩和時間（ａ）、および単結晶Ｐｔ薄膜のスピン緩和時間（ｂ）を示す特性図である。
【図５】図５は、多結晶Ｐｔ薄膜（ａ）および単結晶薄膜（ｂ）の各試料について、Ｃｏ薄膜に作用する有効磁場の電流密度依存性を測定した結果を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１４】
本発明は、金属から構成された金属薄膜の厚さにより、スピン軌道相互作用の強さを制御する。
【００１５】
まず、金属薄膜の結晶状態を結晶状態または多結晶状態のいずれかにすることによりスピン軌道相互作用の強さを制御する。
【００１６】
また、結晶状態に加えて金属薄膜の厚さによりスピン軌道相互作用の強さを制御する。
【００１７】
以下、より詳細に説明する。はじめに、金属薄膜の結晶状態によりスピン軌道相互作用を制御することについて示す。スピン軌道相互作用の強い材料としてＰｔが知られており、Ｐｔを用いて単一材料におけるスピン軌道相互作用の制御について実験を実施した。まず、多結晶Ｐｔ薄膜と単結晶Ｐｔ薄膜とを作製した。
【００１８】
多結晶Ｐｔ薄膜は、主表面の面方位が（００１）とされているＧａＡｓ基板の上に、公知のスパッタ法により、基板加熱をせずにＰｔを堆積して多結晶Ｐｔ薄膜を形成した。Ｐｔ薄膜の上には、厚さ０．６ｎｍのＡｌＯ膜を形成した。多結晶Ｐｔ薄膜は、厚さ２ｎｍ、４ｎｍ、６ｎｍ、８ｎｍ、１０ｎｍ、１５ｎｍの６種類を作製した。
【００１９】
単結晶Ｐｔ薄膜は、主表面の面方位が（１１１）とされているＭｇＯ基板の上に、公知のスパッタ法により、基板温度条件を５００℃としてＰｔを堆積して単結晶Ｐｔ薄膜を形成した。単結晶Ｐｔ薄膜は、厚さ３ｎｍ、４ｎｍ、５ｎｍ、６ｎｍ，１０ｎｍの４種類を作製した。
【００２０】
図１に示すＸ線回折パターンより、ＧａＡｓ基板の上に形成した多結晶Ｐｔ薄膜は、多結晶であることが分かる。一方、図２（ａ）に示すＸ線回折パターンより、ＭｇＯ基板の上に形成した単結晶Ｐｔ薄膜は、単一相のみが成長できていることが分かる。また、図２の（ｂ），（ｃ）に示すＲＨＥＥＤパターンより、ＭｇＯ基板の上に形成した単結晶Ｐｔ薄膜は、Ｐｔ（１１１）が成長して単結晶となっていることがわかる。
【００２１】
膜厚を薄くすることで、電子の散乱寄与を薄膜内部の不純物や粒界に起因する状態から、薄膜表面や界面における散乱に系統的に変化させた。これら膜厚の異なるＰｔ薄膜のスピン緩和時間を調べることで、どのようなスピン軌道相互作用が支配的かを明らかにする。電子の散乱頻度によってスピン軌道相互作用の起源が変化することから、電子の散乱頻度も同時に測定を行っている。
【００２２】
図３は、多結晶Ｐｔ薄膜（ａ）および単結晶Ｐｔ薄膜（ｂ）の各々について、異なる膜厚における磁気伝導測定をした結果を示す特性図である。多結晶Ｐｔ薄膜および単結晶Ｐｔ薄膜のいずれにおいても、弱反局在を示している。なお、図３（ｂ）において、厚さ１０ｎｍについては、明確な評価ができなかったために記載していない。これらのデータ解析から、多結晶Ｐｔ薄膜および単結晶Ｐｔ薄膜におけるスピン緩和時間を求めた。求めたスピン緩和時間について、図４に示す。図４において、（ａ）は、多結晶Ｐｔ薄膜のスピン緩和時間を示し、（ｂ）は、単結晶Ｐｔ薄膜のスピン緩和時間を示している。
【００２３】
多結晶Ｐｔ薄膜では、図４の（ａ）に示すように、運動量緩和時間の増大に対し、スピン緩和時間が減少し、このあと線形的に増大した。一方、単結晶Ｐｔ薄膜においては、図４の（ｂ）に示すように、運動量緩和時間の増大にともない単調に減少する傾向を示した。
【００２４】
不純物散乱およびバンド構造に起因するスピン軌道相互作用は、異なるスピン緩和の機構を与えることが知られている。ＥＹ（Elliot-Yafet）スピン緩和機構は、不純物や粒界におけるスピン依存散乱に起因し、スピン緩和時間は運動量緩和時間に比例する。ＤＰ（Dyakonov-Perel）スピン緩和機構は、バンド構造に起因したスピン軌道相互作用が生み出すスピン緩和であり、運動量緩和時間に反比例する。よって、運動量緩和時間に対するスピン緩和時間の変化を調べることでスピン緩和の起源を切り分けることが可能となる。
【００２５】
図４の（ａ）に示すように、多結晶Ｐｔ薄膜の場合、膜厚の薄い領域ではＤＰスピン緩和機構が支配的であるが膜厚の厚い領域ではＥＹスピン緩和機構が支配的であることが分かる。
【００２６】
一方、図４の（ｂ）に示すように、単結晶Ｐｔ薄膜の場合は、全ての領域でスピン緩和時間は運動量緩和時間の逆数に比例して変化していることから、ＤＰスピン緩和時間が支配的であること明らかとなった。
【００２７】
以上のことより、結晶構造が多結晶もしくは単結晶かつ膜厚の厚い領域では、スピン軌道相互作用が不純物に起因する場合（多結晶）とバンド構造に起因する場合（単結晶）があることがわかった。また、多結晶Ｐｔ薄膜では膜厚が厚い領域と薄い領域では、同様にスピン軌道相互作用の起源が異なることが明らかとなった。
【００２８】
以上に示したように、同じ金属であっても、結晶状態によってスピン軌道相互作用の起源が異なるので、結晶状態を制御することで、スピン軌道相互作用の起源が制御できることは明らかである。単一材料においてスピン軌道相互作用の起源を変えることで、生成できるスピン流が制御可能となる。
【００２９】
次に、実際に作製した試料によって、多結晶状態と単結晶状態とで、スピン流の生成量を比較した。多結晶Ｐｔ薄膜の試料は、ＡｌＯ／Ｃｏ／多結晶Ｐｔ／ＳｉＯx／Ｓｉ構造とした。また、単結晶Ｐｔ薄膜試料は、ＡｌＯ／Ｃｏ／単結晶Ｐｔ／ＭｇＯ構造とした。Ｐｔ薄膜はいずれも厚さ６ｎｍとした。また、いずれの試料にも、Ｐｔ薄膜の上に接してＣｏ薄膜を形成している。Ｐｔ薄膜で生成されるスピン流は、Ｃｏ磁気モーメントにトルクを与える。Ｃｏ磁気モーメントに加わるトルクは、Ｃｏ薄膜に作用する有効磁場として検出することができる。
【００３０】
図５は、多結晶Ｐｔ薄膜（ａ）および単結晶薄膜（ｂ）の各試料について、Ｃｏ薄膜に作用する有効磁場の電流密度依存性を測定した結果を示す特性図である。多結晶Ｐｔ薄膜（ａ）および単結晶薄膜（ｂ）のいずれも、電流密度の増大に伴い有効磁場は増大している。
【００３１】
また、図５に示すように、多結晶Ｐｔ薄膜の方が単結晶Ｐｔ薄膜よりも同じ電流密度で比較すると大きな有効磁場を生み出していることが分かる。従って、多結晶Ｐｔの方が、単結晶Ｐｔ薄膜よりも大きなスピン軌道相互作用を有していることが明らかである。この結果より、単一材料Ｐｔを同じ膜厚にしても、Ｃｏ磁気モーメントに与えるトルクを大きく変化させることが可能であることが示された。
【００３２】
以上に説明したように、本発明によれば、金属薄膜の厚さ制御や、金属薄膜の結晶状態を結晶状態または多結晶状態のいずれかにすることによりスピン軌道相互作用の強さを制御するようにしたので、より高い自由度でスピン流の状態が制御できるようになる。上述した効果は、金属であれば得られる。また、よく知られているように、スピン軌道相互作用やスピンホール効果などは大きな原子番号の金属ほど大きく、Ｐｄ，Ｔａ，Ｗ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ｂｉなどの金属において、より顕著な効果が得られる。
【００３３】
例えば、磁化反転には近年、垂直磁化材料が用いられており、例えばＣｏ／Ｐｔ垂直磁化材料ではＣｏとＰｔ界面の界面磁気異方性により面直磁化を有する。これまでは、スピン軌道相互作用の強さを変えるには材料系を変える必要があり、この場合Ｐｔ界面における界面磁気異方性が利用できず、面内磁化を取ってしまうという問題があった。これに対し、本発明によれば、垂直磁化を維持しながらＰｔの結晶構造や膜厚を変えることで、スピン流の大きさも変えられる。このように、本発明によれば、スピン流生成効率と垂直磁化の両立が可能となり、将来の不揮発メモリの効率的な磁化反転が可能となる。
【００３４】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【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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