Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

本研究では、エピタキシャル成長により垂直磁気異方性をもつ単一の強磁性半導体GaMnAs薄膜をInGaAs/GaAs 基板上に形成し、垂直磁気異方性をもつGaMnAs薄膜に電流を流すことにより、スピン軌道トルク(SOT)によるきわめて高効率の磁化反転に成功した。さらにこれは単一の磁性層でありながらGaMnAs中のDresselhaus型スピン軌道相互作用により電流がスピン流に変換され、スピン軌道トルクがGaMnAsの磁化に働くことによる磁化反転が起こったものと理解される。磁化反転のために必要な電流密度JCは従来のSOT磁化反転の報告値よりも約2桁も小さい。さらに、GaMnAsの薄膜においては、スピン軌道相互作用の性質から[110]方向に電流を流すことがスピン軌道トルクを用いた磁化反転に有効であること、およびMn濃度の不均一性に起因して電流分布が不均一になっており、GaMnAsの膜厚を変えることにより電流により生じる磁場の空間分布が変わることを見出した。磁化反転の妨げとなりうるフィールドライクトルク成分を、電流によって生じる磁場により最適化できるようにGaMnAs膜厚を調整した結果、世界最小の電流密度である4.6×10^4A/cm2の微小電流密度（従来より3桁低いJc）で180度磁化反転を実現した。本研究により、物質の内部に大きなスピン軌道相互作用が存在すれば、電流により磁化を反転できることがわかった。この場合、単層膜に単純に電流を流せば良く、従来のように二重層構造を精密に制御して作製する必要はない。従って、デバイス構造がより単純になる。また、トップゲート構造をもつ電界効果トランジスタを作製し、ゲート電圧によるSOTの強さとJcの制御、さらにゼロ磁場での磁化反転にも成功した。本研究の成果は、超低消費電力スピンデバイスの実現に向けて重要な進展をもたらすものである。