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

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

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

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)

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!!

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

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

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

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 kaiju@es.hokudai.ac.jp

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