丸文研究奨励賞 ● 受賞者

金属ナノ構造における純スピン流の高効率制御技術と高機能スピンデバイスの開発
スピンデバイスの更なる低消費電力化・高性能化を目指して

木村 崇
九州大学 稲盛フロンティア研究センター教授

研究の背景

ここで、スピン偏極電流の電流成分は、非理的意義は極めて大きい。更に、純スピン磁性細線の左側に印加されている電界に流による磁化反転は、ジュール発熱や電流強磁性体が有する不揮発特性と巨大より抽出されるが、スピン流に関しては、非誘導磁界によるスピン不安定性の問題の磁気抵抗効果などのスピン依存伝導現象平衡状態から平衡状態への緩和により流解決につながると共に、スピン偏極電流でを絡めて電子デバイスを動作させるスピンれ方が決定する。このことを用いて、受賞は実現不可能な巨大純スピン流の創出がデバイスは、高性能且つ省エネルギーな動者は、図1（ b）のように、スピン緩和強度が可能であるため、次世代のスピンデバイス作が可能な次世代ナノエレクトロニクスデ

大きい物質を非磁性体の右側に接続すの微細化限界を打破する書き込み（磁化バイスの最有力候補として、近年大きな注ることで、スピン流のみを選択的に抽出す反転）技術としても期待できる。

目を集めている。
このスピンデバイスにおいる技術を開発することに成功した【1, 2】。こ

つづいて受賞者は、スピン吸収効果をて、重要な役割を担っているのが、電子ののような電流の無いスピン流のみからなるスピン軌道相互作用の大きな白金へのス運動がもたらすスピン角運動量の流れ ス

電子の流れは純スピン流として知られておピン注入技術として適用することで、これまピン流 である。スピン流は、スピン依存伝り、受賞者が開発した純スピン流の取り出で困難とされてきたスピンホール効果の室導現象の担い手であるのみならず、隣接すし法はスピン吸収効果として広く知られて温での電気的検出に世界で初めて成功しる強磁性体へのスピン角運動量のキャリいる。

スピン軌道た【4】。スピンホール効果とは、アとなり、角運動量のトランスファーを介し受賞者は、前述のスピン吸収効果をナ相互作用が存在する物質中に電流（Ic）て、スピン注入による磁化反転をも可能にノ磁性体への効率的な純スピン流注入技を流すと、電流と垂直方向にスピン流（Is）する。これらスピン流誘起の物理現象を観術へと高度化させ、巨大な純スピン流が注が発生する現象であり、また、その逆変換測するためには、積層（縦型）構造からなる入可能な素子を試作し、純スピン流注入でも存在する。ここで、スピンの偏極方向をS二端子デバイスを用いるのが主流であるも、スピン注入磁化反転が可能であることとすると、Ic∝S×Isの関係が成り立つ。本が、この場合、素子全体に電流が流れるたを実証した【3】。大きなスピン偏極電流の注技術を用いれば、スピン流と電流の変換がめ、スピン流は電流に重畳したスピン偏極入により、ナノ磁性体の磁化反転が生じる可能となり、更に、強磁性体を用いない新電流という状態で存在する（図1（ a））。そことは、既に多くの実証例があり、その起源

しいスピン流生成・制御技術としても応用のため、観測される電気信号は、スピン流はスピン流であると理解されていたが、純スできるため、近年、注目されている。明瞭なとは関係しない電流誘起の現象が支配的ピン流による磁化反転の実証は、スピン流スピンホール効果を観測するには、大きなとなり、各物質中でのスピン流の振る舞いの役割を決定的にする実験であり、その物スピン軌道相互作用が必要であるが、そのなどを詳細に調べるのが困難であった。

研究の成果
受賞者は、横型デバイスの構造的柔軟性に着目し、複数の強磁性ナノ細線とそれらを橋渡しする非磁性ナノ細線で構成される多端子横型スピンバルブ構造を作製した。本素子において、図1（ b）のように電流を流すことで、強磁性細線からスピン偏極電流が注入され、非磁性細線内にも非平衡なスピン偏極電流が形成される。

図1 （a）積層（縦）型スピンデバイスにおけるスピン注入と（b）
横型スピンデバイスにおける純スピン流の取り出し

ような物質中では、スピン拡散長が極端に短いため、スピン流の制御・検出が困難で

図2 純スピン流注入によるナノ磁性体の磁化反転を実証した
素子の電子顕微鏡写真とその動作概念図あった。そこで受賞者は、スピン拡散長の長い銅とスピン緩和の強い白金を組み合わせ、スピン吸収効果により、スピンの流れの方向を制御する技術を開発した。図3のように、銅細線と直交するように白金細線を接続した場合、スピン流の流れの方向が、接合面に垂直になる。ここで、スピン注入源となる強磁性体の磁気モーメントを銅細線の長手方向に揃えておくと、上述のIc∝S×Isの関係から、逆スピンホール効果によって、白金細線に沿った電流が誘起され、白金細線の両端に電圧が発生すた【7】。最近では、高スピン偏極材料としてでは不可能な巨大純スピン流の三次元注る。実験から得られたPtのスピンホール伝注目されているホイスラー合金を純スピン入も可能となる。更に、スピン流の電気的導率は、これまで半導体で得られていた値流の生成源として適用することで、純スピ方向制御技術を高速化することで、スピンの１万倍以上であることが分かり、本実験ン流の生成効率を一桁向上させることに流の高速回転も可能となり、極めて高速でから、スピンホール効果の応用に向けた研し、更に、縦型と横型を組み合わせ成功【8】効率的な磁化反転技術への展開が期待

究が一気に加速した。

た新奇な純スピン流生成構造も開発し、こされる。
このように、純スピン流を用いること

上記に加えて、受賞者は、スピンカイラリれまでの横型構造に比べ、４０倍以上大きで、さまざまな利点が存在すると期待できる

ティ検出素子【5】、電気的スピン量子化軸な超巨大スピン流を生成することにも成功が、これらの有効性を証明するためには、い制御素子【6】など、横型デバイスの柔軟性している【9】。

ち早い実験的検証が必要である。
本研究は、理化学研究所、東京大学物を最大限利用したユニークで高機能スピンデバイスを次々に提案・実証した。更に、非磁性細線中のスピン散乱機構に関して性研究所、九州大学稲盛フロンティア研

将来の展望

究センターにおいて実施したものであり、大も、温度を下げ過ぎると表面散乱の増大

純スピン流では、無駄なジュール発熱が谷義近先生をはじめ、各所属機関の関係によりスピン拡散長が短くなる という従来生じないため、生成源の多端子化や吸収者の皆様ならびに国内外の多くの共同研の予想とは大きく異なる実験事実を発見し面の多面化により、従来型スピン注入法究者の皆様に深く御礼申し上げます。

図3 室温でのスピンホール効果の電気的検出に成功した素子の電子顕微鏡写真とその動作概念図

References（参 考 文 献）【1】T. Kimura, J. Hamrle, Y. Otani, K. Tsukagoshi and Y. Aoyagi : Suppression of spin
accumulation in non-magnet due to ferromagnetic ohmic contact, Appl. Phys. Lett.
85, 3795 (2004).
【2】T. Kimura, J. Hamrle and Y. Otani : Estimation of spin-diﬀusion length from themagnitude of spin-current absorption: multiterminal ferromagnetic / nonferromagnetic
hybrid structures, Phys. Rev. B 72, 014461 (2005).
【3】T. Kimura, Y. Otani and J. Hamrle : Switching magnetization of nanoscale
ferromagnetic particle using nonlocal spin injection, Phys. Rev. Lett. 96, 037201(2006).
【4】T. Kimura, Y. Otani, T. Sato, S. Takahashi and S. Maekawa : Room temperaturereversiblespin Hall eﬀect, Phys. Rev. Lett. 98, 156601 (2007).
【5】T. Kimura, Y. Otani and J. Hamrle : Determination of magnetic vortex chirality usinglateral spin valve geometry, Appl. Phys. Lett. 87, 172506 (2005).
【6】T. Kimura, Y.C. Otani and P.M. Levy : Electrical control of the direction of spin
accumulation, Phys. Rev. Lett. 99, 166601 (2007).
【7】7. T. Kimura, T. Sato and Y. Otani : Temperature evolution of spin relaxation in
NiFe/Cu lateral spin valve, Phys. Rev. Lett. 100, 066602 (2008).
【8】T. Kimura, N. Hashimoto, S. Yamada, M. Miyao, and K. Hamaya : Room-temperature
generation of giant pure spin currents using Co2FeSi spin injectors, NPG asia
Materials 4 e9 (2012).
【9】S. Nonoguchi, T. Nomura, and T. Kimura : Nonlocal spin transports in nanopillar-basedlateral spin valve, Appl. Phys. Lett. 100, 132401 (2012).