東北大、磁気の流れを介した新しい磁気抵抗効果を発見

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東北大学の研究チームが、磁気の流れによって発現する新しい磁気抵抗効果を世界で初めて発見した。「スピンホール磁気抵抗効果」と呼ばれる現象で、非磁性金属と磁性絶縁体を接合させたときに発現する。これまでに知られている磁石の極性を用いた磁気抵抗効果はすべて磁性導電体に電流を流すことで発現するが、今回実証したスピンホール磁気抵抗効果を用いると、磁性体に電流を流さずに、隣接する非磁性金属に磁気抵抗効果を引き起こすことが可能となる。このため、磁性体における発熱や化学反応、磁気特性の劣化の少ない長寿命な新機能磁気デバイス開発への応用が期待される。大学院後期博士課程の中山裕康氏、原子分子材料科学高等研究機構の齊藤英治教授、金属材料研究所のゲリット・バウアー教授らによる成果。2013年5月13日付けの Physical Review Letters に論文が掲載されている。

図1 (a) 金属中に電流を流すと、スピンホール効果によって電流と垂直な方向にスピン流が発生 する。(b) 金属の端に到達したスピン流は反射する。(c) 反射スピン流は逆スピンホール効果によ って電流を生む (出所:東北大学)

白金などの金属に電流を流すと、「スピンホール効果」と呼ばれる固体中の量子相対論効果によって図1(a)のような磁気の流れ(スピン流)が生まれる。スピン流は図1(b)のように金属の表面まで到達すると、反射し、金属内部に戻ろうとする。この反射スピン流はスピンホール効果の逆効果である「逆スピンホール効果」と呼ばれる現象によって図1(c)のように電流に変換される。

今回の研究では、スピンホール効果および逆スピンホール効果による電流-スピン流相互変換と、磁性絶縁体界面におけるスピン流交換(スピン移行トルク)によって生じる磁気抵抗効果を系統的に調べた。その結果、実験・理論の両面からスピンホール磁気抵抗効果の存在を初めて実証した。

図2 (a)、(b) スピンホール磁気抵抗効果の測定実験に用いた試料の模式図。磁性絶縁体界面に おけるスピン流交換によって磁気抵抗効果が実現する。(c) 実験に用いた試料の写真 (出所:東北大学)

 

図3 スピン流を介した磁気抵抗効果の実験における電気抵抗測定結果 (出所:東北大学)

 
今回の研究で行った実験を、図2および図3に示す。図2(a)、(b)の実験系では、絶縁体である磁性ガーネット(Y3Fe5O12: YIG)単結晶薄膜の表面に白金薄膜を成膜し、磁場を印加しながら白金薄膜における電気抵抗の精密測定を行った。YIG/白金複合構造における磁気抵抗効果の磁場強度依存性や磁場角度依存性、物質依存性などを系統的に調べることで、検出された電気抵抗変化がYIG/白金界面におけるスピン流交換効果に由来することを明らかにした。

このセットアップでは、絶縁体であるYIG薄膜には電流が流れていないにもかかわらず、隣接した白金薄膜に磁気抵抗効果が発現する。磁性体に直接電流を流さなくとも発現するスピンホール磁気抵抗効果は、磁性体に電流を流す必要のあった従来の磁気抵抗効果とは本質的に異なるといえる。また、同効果は界面におけるスピン流の極性方向と磁性絶縁体の磁化方向の相対的な角度に依存するため、従来の磁気抵抗効果とはまったく異なる磁場角度依存性を示すことも明らかになった。

磁性絶縁体/非磁性金属複合構造におけるスピン流を介した新しい磁気抵抗効果の発見は、スピントロニクスデバイス設計自由度を向上するもの。また、今回の研究で見出された磁気抵抗効果は、スピン流の輸送物性を簡便な電気測定により調べることが可能であることから、今後のスピン流電子物性の研究において重要な役割を果たすとみられる。


発表資料

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