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(In Japanese)光-スピン流変換素子及びその製造方法

Patent code P160013237
File No. (S2012-0830-N0)
Posted date Aug 18, 2016
Application number P2014-522583
Patent number P6164658
Date of filing Jun 21, 2013
Date of registration Jun 30, 2017
International application number JP2013067042
International publication number WO2014002881
Date of international filing Jun 21, 2013
Date of international publication Jan 3, 2014
Priority data
  • P2012-147846 (Jun 29, 2012) JP
Inventor
  • (In Japanese)内田 健一
  • (In Japanese)齊藤 英治
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人東北大学
Title (In Japanese)光-スピン流変換素子及びその製造方法
Abstract (In Japanese)光-スピン流変換素子及びその製造方法に関し、新規なスピン流源を提供する。磁性体層と、前記磁性体層に接合する逆スピンホール効果部材層と、照射光による表面プラズモン共鳴により前記磁性体層のマグノン有効温度或いは逆スピンホール効果部材層の電子有効温度の少なくとも一方を高める表面プラズモン共鳴発生部材とを設ける。
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

現在の半導体装置等のエレトロニクス分野においては、電子の有する電荷の自由度を利用しているが、電子は電荷以外にスピンという自由度を有している。近年、このスピンの自由度を利用したスピントロニクスが次世代の情報技術の担い手として注目を集めている。

このスピントロニクスでは電子の電荷とスピンの自由度を同時に利用することによって、従来にない機能や特性を得ることを目指しているが、スピントロニクス機能の多くはスピン流によって駆動される。

スピン流はエネルギーの散逸が少ないため、効率の良いエネルギー伝達に利用できる可能性が期待されており、スピン流の生成方法や検出方法の確立が急務になっている。

なお、スピン流の生成方法としては、スピンポンピングによるスピン流が提案されており(例えば、非特許文献1参照)、スピン流の検出方法についても、本発明者等により逆スピンホール効果(ISHE)によるスピン流の検出方法が提案されている(例えば、非特許文献2参照)。

さらに、本発明者は、熱をスピン流の発生源としたスピン-ゼーベック効果素子(例えば、特許文献1参照)や、音波発生部材を用いた音波-スピン流変換素子(例えば、非特許文献3或いは非特許文献4参照)や、マイクロ波をスピン流に変換するマイクロ波-スピン流変換素子(例えば、非特許文献5参照)を提案している。

本発明者等による鋭意研究の結果、このようなスピン流は、磁性体層のマグノン有効温度(T*m,F)と磁性体層と界面で接する金属層の電子有効温度(T*e,P)との間に差をつけることによって発生することが解明された。

図20は、スピン流発生メカニズムの説明図であり、図20(a)はT*m,F=T*e,Pの場合、図20(b)はT*m,F>T*e,Pの場合、図20(c)はT*m,F<T*e,Pの場合のスピン流の説明図である。

スピンには非相反性があるため、右回りにしか歳差運動しないので、スピンに熱揺らぎが加わると一方向に偏った歳差運動が生じ、スピンポンピングを介してスピン流が生成される。磁性体/金属界面においては、磁性層の磁気モーメントに対する熱揺らぎによるスピンポンピングスピン流Jsp(マグノン温度に比例)と金属層の電子スピンに対する熱揺らぎによるバックフロースピン流Jfl(電子温度に比例)が生成される。

図20(a)に示すように、熱平衡状態では、環境温度=マグノン温度=電子温度であるので、スピンポンピングスピン流Jspとバックフロースピン流Jflとは吊り合った状態になるので正味のスピン流は生成されない。

逆に言えば、外部入力を印加してスピンポンピングスピン流Jspとバックフロースピン流Jflとのバランスを崩せば、スピンポンピングスピン流Jspとバックフロースピン流Jflの差分が正味のスピン流となるので、図20(b)或いは図20(c)に示すように、有限のスピン流を生成することができる。特に、図20(b)に示すように、磁性体層のマグノン有効温度T*m,Fを金属層の電子有効温度T*e,Pより大きくすると、金属層にスピン流Jsを誘起することができる。

このような関係を纏めたのが下記の式である。
Js=2αkB(T*m,T-T*e,T
ここで、αは、有効温度差-スピン流変換係数であり、kBはボルツマン定数である(例えば、非特許文献6参照)。

したがって、磁性体層におけるマグノン有効温度を高めることによって、磁性体層と界面で接する金属層にスピン流を誘起することができる。この時、金属層として逆スピンホール効果部材を用い、外部磁場を印加すると外部磁場と直交する方向に逆スピンホール電圧EISHEが発生する。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、光-スピン流変換素子及びその製造方法に関するものであり、例えば、可視光等の光を磁性体部材で吸収し、光のエネルギーでマグノン有効温度若しくは電子有効温度を上昇させてスピン流に変換する構成に特徴のある光-スピン流変換素子及びその製造方法に関するものである。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
磁性体層と、
前記磁性体層に接合する逆スピンホール効果部材層と、
照射光による表面プラズモン共鳴により前記磁性体層のマグノン有効温度或いは逆スピンホール効果部材層の電子有効温度の少なくとも一方を高める表面プラズモン共鳴発生部材と
を有する光-スピン流変換素子。

【請求項2】
 
前記表面プラズモン共鳴発生部材が、前記磁性体層に含まれる微細金属であることを特徴とする請求項1に記載の光-スピン流変換素子。

【請求項3】
 
前記微細金属が、金微粒子或いは銀微粒子である請求項2に記載の光-スピン流変換素子。

【請求項4】
 
前記表面プラズモン共鳴発生部材が、前記逆スピンホール効果部材層の表面に設けられたプリズムである請求項1に記載の光-スピン流変換素子。

【請求項5】
 
前記表面プラズモン共鳴発生部材が、前記逆スピンホール効果部材層の表面に設けられた回折格子である請求項1に記載の光-スピン流変換素子。

【請求項6】
 
前記回折格子が、前記逆スピンホール効果部材層と同じ材料で一体に形成されている請求項5に記載の光-スピン流変換素子。

【請求項7】
 
前記磁性体層の磁化方向を規制する磁場印加手段を有する請求項1に記載の光-スピン流変換素子。

【請求項8】
 
前記逆スピンホール効果部材層が、逆スピンホール効果により電圧を取り出すための一対の電極を有している請求項7に記載の光-スピン流変換素子。

【請求項9】
 
前記磁性体層が、Y3Fe5-xGaxO12(但し、0≦x<5)またはBiドープのY3Fe5-xGaxO12(但し、0≦x<5)からなる請求項1に記載の光-スピン流変換素子。

【請求項10】
 
前記逆スピンホール効果部材層が、Pt、Au、Pd、Ag、Bi、f軌道或いは3d軌道を有する遷移金属を有する元素、若しくはそれらの合金のいずれかを有する元素のいずれか、或いは、前記各材料とCu、Al、或いは、Siの合金のいずれかである請求項1に記載の光-スピン流変換素子。

【請求項11】
 
前記逆スピンホール効果部材層が、PtまたはBiドープCuである請求項10に記載の光-スピン流変換素子。

【請求項12】
 
基板上に金属薄膜を堆積する工程と、
熱処理により前記金属膜を溶融して表面張力により微細金属を形成する工程と、
前記微細金属を含む基板上に磁性体部材を堆積して微細金属を含有する磁性体層を形成する工程と、
前記磁性体層上に逆スピンホール効果部材層を形成する工程と
を有することを特徴とする光-スピン流変換素子の製造方法。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2014522583thum.jpg
State of application right Registered
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