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平成25年度大学院共通授業『トポロジー理工学特別講義Ⅱ』2014/1/24
スピントロニクスの基礎とその応用
北海道大学電子科学研究所北海道大学電子科学研究所海住 英生
本日の講義内容N
① スピントロニクスとは?
e電荷
N
② スピンの発見(20世紀前半)
③ 磁性の歴史(20世紀前半 20世紀後半)
-e電荷スピン
S③ 磁性の歴史(20世紀前半、20世紀後半)
④ スピントロニクスの誕生とその基礎と応用④ スピントロニクスの誕生とその基礎と応用
巨大磁気抵抗(GMR)効果、トンネル磁気抵抗(TMR)効果
スピン注入磁化反転、磁壁の電流駆動
スピン流、スピンホール効果、スピンゼーベック効果
⑤ スピントロニクスの将来
スピントロニクス
電子の電子の電荷電荷ととスピンスピンを利用した新しい研究分野を利用した新しい研究分野
電荷N
MRAM-e
スピンS
磁気ヘッド
MRAMSpin Hall 効果
TMR効果 SGMR効果 磁気センサ
2000年以降
果
磁気工学電子工学(半導体工学)
磁気記録 磁石2000年以前LSI、トランジスタ 磁気記録 磁石LSI、トランジスタ
スピンの発見
N
ナトリウムのスペクトル
2つの光
Na
ナトリウムのD線
D 589 6 p軌道スピンに起因
D1 : 1 = 589.6 nmD2 : 2 = 589.0 nm
l=1p軌道
D DmeV2
12
hchcE
S軌道
D1 D2
S. Goudsmit and G.E. Uhlenbeck, Physica 6 273(1926)The new term scheme of hydrogen l=0
S軌道
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スピンの発見
N
ナトリウムのスペクトル
2つの光
Na)11(
1212
hchchcE
)11(222
hc
ナトリウムのD線
D 589 6 p軌道スピンに起因)
/111(
222
222
hc
D1 : 1 = 589.6 nmD2 : 2 = 589.0 nm
l=1p軌道
D D)]/1(1[
/1
22
222
hc
meV212
hchcE
S軌道
D1 D2
meV210eV2 32
2
hc
S. Goudsmit and G.E. Uhlenbeck, Physica 6 273(1926)The new term scheme of hydrogen l=0
S軌道22
スピンの正体
アインシュタインの相対性理論‐
20
222 pc 20 mc +
42222 cmc p
4223
22
21
22 )( cmpppc
4223
22
21
2 )( cmpppc ディラックアインシュタイン
2223
22
21 cmpppc
スピンの正体
mcpppcmpppc 332211222
322
21/
1000
000 i
00100100
1
000000
2 ii
0001
000i
10000100
00100001
00011000
3
01000010
0010
1000
スピンの正体
mcpppcmpppc 332211222
322
21/
i ip
i
ji x
pt 2
33
22
11 mc
xxxic
ti
321
ディラック方程式
32mcici
ディラック方程式
1j jj mc
xic
ti
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スピンの正体
Hii
32
2
1
Hmcx
ict
ij j
j
1
2
3
2
4
電子
213
2 0x
ix
icx
icmc
2
321
20x
icx
ix
icmcH
2
2
213
0
0
mciciic
mcx
ix
icx
ic
321
0 mcx
icx
ix
ic
陽電子
スピンの正体
up spin down spin
002/00002/
スピンの固有値
スピン角運動量
2/00002/00002/0
zs
2,
2
zs
2/000
22
電子 陽電子 コマのようなもの
歳差運動
磁性に関する理論的解釈(20世紀前半)
1930 S l C fJ
1930 Solvay Conference jmim
m:磁気モーメント
(原子に局在している)(原子に局在している)
J :電子スピンの交換J :電子スピンの交換エネルギー
Dirac HeisenbergEinstein
磁性に関して、認知されるとともに、理論的な解釈についても大きな発展を遂げた
g
ついても大きな発展を遂げた !!Courtesy of Prof. Y. Otani
磁性体の内部構造 ~磁壁~(20世紀後半)
分域 ≡ 磁区 (M ti d i )分域 ≡ 磁区 (Magnetic domain)
境界領域 ≡ 磁壁 (Domain wall)
10 100 nm10 ~ 100 nm
磁壁幅(DW width) 磁気モーメント (Magnetic moment)
Well defined shape leads to well controlled domain structures!MFM images
11 m
Courtesy of Prof. Y. OtaniK. Shigeto APL 80 (2002) 4190
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巨大磁気抵抗(GMR)効果
☆ 2007年ノーベル物理学賞 Phys. Rev. Lett. 61, 2472 (1988)
グフェール グリュンベルク
Fe 電気抵抗:大 電気抵抗:小
MR比=50%@300K
抵抗
FeCr 20000ガウス
磁場H電子
磁気モーメント磁場磁場H磁気モーメント
トンネル磁気抵抗(TMR)効果
東北大宮崎先生 MIT M d
MR比=18%@300K
東北大宮崎先生 MIT Moodera
MR比 18%@300K25~50ガウスT. Miyazaki et al.: J. Magn. Magn. Mater.
139 L231 (1995)
J. S. Moodera et al.: Phys. Rev. Lett. 74, 3273 (1995)
139, L231 (1995)
トンネル磁気抵抗(TMR)効果
強磁性トンネル接合(MTJ)
電流
強磁性層強磁性層
絶縁層絶縁層
強磁性層 磁化磁場
RP: 小 RAP: 大磁化磁場
P
TMR比 = = RR
RAP‐ RPRR RP
常磁性体と強磁性体
常磁性体(Al、Na、Pd等)
強磁性体(Fe、Co、Ni等)
エネルギー E
EF
EED )(Eex (2~3eV)
状態密度 D(E)
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常磁性体と強磁性体
常磁性体(Al、Na、Pd等)
強磁性体(Fe、Co、Ni等)
エネルギー E 4
FeTB‐LMTO‐ASA
EF-4
0
E (e
V) EF
EED )(-8
4E
状態密度 D(E) -4 -2 0 2 4DOS (states/eV/atom)
トンネル磁気抵抗(TMR)効果
磁化平行 磁化反平行
1~2 nm磁化 磁場 H絶縁層
電流
エネルギー強磁性層
層
ネルギ
EF
抵抗:小 抵抗:大
状態密度
抵抗: 小 抵抗: 大
)( DDDDTG
MTJにおける磁化状態
強磁性体のヒステリシス曲線 B=0
m残留磁化
強磁性体のヒステリシス曲線 B=0
②
③残留磁化 B=B1 ①
①保磁力B=B2 ②
B0②
B=B3 ③
ハードディスクドライブ(HDD)の仕組み
スピンドルモーターアクチュエータ タアクチュエ タ
磁気ヘッド
アーム
磁気 ッド
磁気ディスク
記録容量は、1TB、つまり、1兆個のデ がデータが入っている!!
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ハードディスクドライブ(HDD)の仕組み
http://www7a.biglobe.ne.jp/~yajuu/whatshdd.htmlhttp://ja.wikipedia.org/ http://www.s‐graphics.co.jp/nanoelectronics/kaitai/harddisk/3.htm
http://www.way‐on.com.tw/PCbasal/kiso/harddisk1.htm
TMR比を大きくするためには?
エネルギー
磁化平行 磁化反平行
EF
抵抗:小 抵抗:大
状態密度
抵抗: 小 抵抗: 大
)( DDDDTG
)( DDDDTG )( DDDDTG)( DDDDTGP )( DDDDTGAP
TMR比を大きくするためには?
)( DDDDTGP )( DDDDTGAP
/1/1/1
GGG
GGG
RRR
RRTMR APPPAPPAP
2)()()(/1
DDDDDDDDDDDDDDGGRR APPP
22 2)(
2
PDDDDDDDD
エネルギー800
1000
212 PDD
600
800
R比
(%) Pが大きい程、
TMRが大きくなる
DDDDP EF D D
スピン分極率 200
400
TMR なる。
DD状態密度 0 20 40 60 80 1000
スピン分極率 P (%)
TMR比を大きくするためには?
800
600)
強磁性層
絶縁層
400
600
atio
(%
MgO強磁性層
400
TMR
ra S. Yuasa, Nat. Mater.S. S. P. Parkin, Nat. Mater.
200T
AlO
T. Miyazaki, JMMMJ. S. Moodera, PRL
1995 2000 2005 20100AlO
Year
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MgOを用いた強磁性トンネル接合
産総研湯浅氏
IBM ParkinIBM Parkin
S. Yuasa, Nat. Mater. 3, 868 (2004)S. S. P. Parkin, Nat. Mater. 3, 862 (2004)
MgOを用いた強磁性トンネル接合
Courtesy of S. Yuasa @AIST (2012年応用物理学会発表資料)
スピン注入磁化反転
スピンを注入すると、磁化が反転する。
ピ 注
(TMR 比=98%)
TMR効果 スピン注入磁化反転
J. Hayakawa et al.: IEEE Trans. Magn. 44 1962 (2008)
(TMR 比=98%)
磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)
R/R 98%R/R=98%
究極の不揮発性メモリ Jc = 3.85×106A/cm2
Jc = ‐3.25×106A/cm2
究極の不揮発性メモリ
J. Hayakawa et al.: IEEE Trans. Magn. 44 1962 (2008)Everspin Technologies (2012)
64Mビット品
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磁壁の電流駆動
MFM像で磁壁の移動を直接観察
A. Yamaguchi et al.: Phys. Rev. Lett. 92 (2004) 077205
スピントルクオシレータ
スピントランスファートルクとダンピングの効果により、歳差運動が開始する 高周波オシレータに応用可能歳差運動が開始する。高周波オシレ タに応用可能。
HA. M. Deac, et al.: Nature Physics 4, 803 (2008)
H
スピン流
Spin polarized currentFlow of both charge and spinI U i t
:charge :spin
=
Flow of both charge and spinI↑: Up‐spin current
Ie ( = I↑ + I↓) ≠ 0Ie ( I↑ I↓) ≠ 0IS ( = I↑-I↓) ≠ 0I↓: Down‐spin current
Spin currentFlow of only spin
=
IS ( = I↑-I↓) ≠ 0Ie ( = I↑ + I↓) = 0
スピンホール効果
B
z
ホール効果
ローレンツ力
vB
Ex
zy )( Bvqf
ve
スピンホール効果
xzy
es jjsj
v
上向きスピン
Y. K. Kato, et al. : Science 306 1910 (2004)
下向きスピン
スピン軌道相互作用が強い材料
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スピンゼーベック効果Spin Seebeck effect
TeSTSSe S
SHE 2e E J σPt/Py/sapphire
K. Uchida et al., Nature 455, 778 (2008)
SHEISHE SA
E J σ
トポロジカル絶縁体
Spin “up”
Quantum well(HgTe)
Spin “down ”
M. König et al.: Science 318, 766 (2007)( g )
C. L. Kane and E. J. Mele: Science 314, 1692 (2006)
連 絡 先 と 謝 辞
北海道大学電子科学研究所北海道大学電子科学研究所光電子ナノ材料研究分野 海住英生
居室:創成棟 3F 03‐304 E‐mail kaiju@es hokudai ac jp
今回 講義に関しまし 記 先生方から大変貴重な御助言
E mail [email protected]
今回の講義に関しまして、下記の先生方から大変貴重な御助言、並びに、ご協力を頂きました。ここに感謝の意を表します。
北海道大学電子科学研究所 西井準治先生 近藤憲治先生
東京大学物性研究所 大谷義近先生
北海道大学電子科学研究所 西井準治先生、近藤憲治先生
北海道大学大学院工学研究院 長浜太郎先生