【研究分野】物性物理およびその関連分野

【研究領域課題番号】17H06200 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

有機半導体 / 単結晶 / メカノエレクトロニクス / 分子振動 / スピントロニクス / 有機・分子エレクトロニクス / センサー / スピントランジスタ / スピンエレクトロニクス / 有機合成 / 有機半導体単結晶 / 有機半導体材料 / デバイス工学

【研究成果の概要】

本研究課題実践により半導体における電子電荷・スピン輸送において大きく理解が進展し、特に無機半導体で用いられている電子輸送の標準理論に柔らかいフォノンの効果を取り入れることが重要であることを世界に先駆けて報告した。さらに、室温での電界効果特性測定、磁場中及び低温での電子物性計測・電子スピン共鳴実験等によってスピン輸送の実験的研究をおこない、有機半導体が高い移動度と1ミリ秒以上の長いスピン緩和時間とを両立できることを示した。これらの成果により、有機半導体での非常に長いスピン緩和時間実現や低温での金属状態の実現など当初の計画以上の物性研究の進展を得ている。

【研究の社会的意義】

本研究期間中には、有機半導体における電子電荷・スピン輸送において大きく理解が進展し、特に無機半導体で用いられている電子輸送の標準理論に柔らかいフォノンの効果を取り入れることが重要であることを世界に先駆けて報告した。また、非常に長いスピン緩和時間や低温での金属状態の実現など、当初の計画以上の物性研究の進展が得られた。単結晶デバイスを用いて初めて正確な構造物性相関を解明し、ホール効果などの精密物性測定による電子状態の詳細な理解と構造への対比が可能となったことは、信頼できる学問分野の構築に道を拓いたと言える。

【研究種目】挑戦的研究(開拓)

【研究期間】2017-06-30 - 2020-03-31

【配分額】25,610千円 (直接経費: 19,700千円、間接経費: 5,910千円)

【研究分野】応用物性

【研究領域課題番号】16H03850 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

磁性体 / スピントロニクス / トンネル磁気抵抗素子 / 磁界センサー / センサーアレイ / 磁気共鳴 / 微小センサー / 1/fノイズ / 非線形マグノイズ / 二重共鳴 / スピンエレクトロニクス

【研究成果の概要】

磁界センサーとしてナノサイズの磁性体を用いることによりセンサー内部の磁石の向きの乱れによるノイズの発生を抑え超高感度なセンサーを作ることを目的に研究を行った。その結果、センサーをナノサイズにすることにより携帯電話に使う電波の周波数帯ではノイズを理論値近くまで下げることができるが、医療への応用で重要になる音声周波数帯では磁性膜の縁の磁石の向きの乱れによるノイズが残ることを見出した。スキルミオンについての計算の結果、縁をなくすことによりノイズが低減することを見出した。

【研究の社会的意義】

医療で重要な脳磁計や心磁計には極低温でしか動作しないセンサーが使用されているためコストが高く、これらの装置は大病院にしか設置されていない。室温で動作する安価で超高感度な磁界センサーが出来ればこれらの検査機器を家庭医でも、あるいは個人でも持つことができるようになり心臓病や脳内の異常を早期に発見できるようになると考えられる。本研究はそのようなセンサーを開発するための基礎研究である。今回の研究成果は磁石を用いた磁界センサーの高感度化の障害となっている磁石の熱による乱れの影響を避ける方法のヒントとなるものである。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】16,640千円 (直接経費: 12,800千円、間接経費: 3,840千円)

【研究分野】応用物性

【研究領域課題番号】16H02095 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピン / 強磁性半導体 / ヘテロ構造 / スピン依存伝導 / 強磁性転移温度 / スピントロニクス / 磁気抵抗 / スピントランジスタ / 狭ギャップ半導体 / (Ga,Fe)Sb / (In, Fe)Sb / 半導体 / 強磁性 / ナノ構造 / トンネル接合 / FET / 量子井戸 / 転移温度 / スピンエレクトロニクス / 不揮発性メモリ

【研究成果の概要】

低消費電力・機能性デバイスに向けた強磁性/半導体融合系の創出とそのスピン物性の研究を行い、材料物性、機能実現、デバイスの各領域で大きな成果を得た。室温以上の高い強磁性転移温度をもつｐ型およびｎ型強磁性半導体(GaFeSb, InFeSb)の作製に成功した。非磁性半導体/強磁性半導体からなる二層ヘテロ構想を作製し、新しい電子伝導現象（大きな磁気抵抗効果）を発見、この構造をトランジスタに加工しゲート電圧によってInAs薄膜中の波動関数を変化させ、近接効果による磁気抵抗を大きく変調することにも成功するなど多くの新しい物性機能を明らかにすると共に、縦型および横型スピントランジスタを作製、動作実証した。

【研究の社会的意義】

半導体材料あるいはデバイス構造中に磁性元素や強磁性材料を構成要素として取り込み、キャリアの電荷輸送に加えて「スピン自由度」をも活用する新しい機能材料やデバイスをつくることに成功した。バンドエンジニアリングとスピン自由度を有する新しいデバイス構造：スピントランジスタを提案・解析・作製、その動作を実証した。これにより、スピントロニクスという新しい学術分野の研究をリードするとともに、従来の半導体デバイスや集積回路では持ち得なかった「不揮発性」低消費電力」「再構成可能性」「情報処理の柔軟性」の機能をもつ材料とデバイスを創製し、ポストスケーリング時代の新技術を創成する道を開いた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2016-04-01 - 2020-03-31

【配分額】41,990千円 (直接経費: 32,300千円、間接経費: 9,690千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】16K13842 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / マグノン / スピン流 / 反強磁性体 / 物性実験 / スピンエレクトロニクス

【研究成果の概要】

本研究では、反強磁性体中のマグノンを、スピン角運動量の流れであるスピン流の伝送媒体として活用することを目指している。具体的には、スピンゼーベック効果の観測を介して、熱的に励起された反強磁性マグノンがスピン流の担い手になれることを実験的に明らかにした。また、スピン波分光測定を通じて反強磁性マグノンの実空間における伝搬特性の直接評価を行い、反強磁性マグノンが強磁性マグノンと遜色のない伝搬長を備えていることを明らかにした。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】16K13834 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

物性理論 / スピンエレクトロニクス / スピントロニクス

【研究成果の概要】

らせん状構造の結晶で電流がそれと平行や反平行に軌道磁化を誘起する現象を以前予言し、カイラル伝導と呼ぶ。本研究で結晶内伝導のらせん性を示すパラメタを導入し、これが古典的ソレノイドより１，２桁大きくなりうることを示した。また、極性金属、２次元薄膜、絶縁体界面・表面など極性を持つ金属に対して新たに電流誘起軌道磁化の理論を構築し、これが環状電流形成によることを示した。また２次元系面内方向の軌道磁化の計算手法を開発した。

【研究の社会的意義】

電流誘起軌道磁化（カイラル伝導）は、従来のスピン軌道相互作用を利用した磁化制御と異なり、結晶構造自身により決まる現象であり、多種多様な結晶構造を利用することで、従来のスピントロニクスとは異なる形で磁化を制御できる可能性を拓く。本研究によりこの効果が現れる物質系を、らせん構造の結晶のみならず、表面・界面、２次元原子層膜などさまざまな方向へ広げることができ、理論・実験面で今後の広がりが期待できる。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2020-03-31

【配分額】3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】16K13827 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / スピン流 / 量子スピン系 / スピン液体 / スピノン / マヨラナ粒子 / キタエフ模型 / スピンエレクトロニクス / 低温物性 / 磁性

【研究成果の概要】

本研究課題では、量子スピン液体状態に特有なスピン励起（スピノン、マヨラナ粒子）を用いたスピン流の実験的開拓を目指して研究を行った。典型的な一次元量子スピン系銅酸化物Sr2CuO3においてはスピノン励起の存在が実験的に確立されており、本研究ではSr2CuO3に温度勾配を印加することでスピノンスピン流が生成されることをスピンゼーベック効果測定を用いて実証した。さらに、非常に最近特に興味をもたれているキタエフ模型スピン液体物質RuCl3において、同じく温度勾配を利用して生成したマヨラナ粒子の流れを、熱伝導率測定を用いて観測した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】16K14224 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピン / 強磁性半導体 / 狭ギャップ / (In,Fe)As / (Ga,Fe)Sb / (In,Fe)Sb / キュリー温度 / スピントロニクス / 狭ギャップ半導体 / 電界効果トランジスタ / キャリア誘起強磁性 / 電界による磁性制御 / 狭バンドギャップ強磁性半導体 / スピンバンドエンジニアリング / スピンエサキダイオード / トンネル分光 / ヘテロ接合 / スピンエレクトロニクス / スピン機能デバイス

【研究成果の概要】

Fe-AsおよびFe-Sb正四面体構造をもつ狭ギャップIII-V族ベース強磁性半導体とそのスピン機能ヘテロ構造材料の作製、物性機能の探索と制御、デバイス応用の研究を行った。強磁性半導体とは、非磁性半導体に磁性元素を添加した混晶半導体であり、半導体と磁性体の両方の性質を持つため、固体物理学・材料科学上の課題を豊富に与えるとともに次世代エレトロニクス・デバイスを担う材料として期待できる材料である。新しいｐ型およびｎ型のFeべース強磁性半導体(Ga,Fe)Sb, (In,Fe)Sbを作製し、そのキュリー温度が室温を超えること、量子ヘテロ構造を作製し、スピントロニクスデバイス応用の可能性を示した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)

【研究分野】応用物性

【研究領域課題番号】15H05420 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

フタロシアニン / 磁気トンネル接合 / スピントロニクス / スピンエレクトロニクス

【研究成果の概要】

これまでのスピントロニクス研究で用いられてきた微細加工されたナノ磁性体に代わるスピン媒体として、結晶性分子薄膜のラジカルスピンに着目した。得られた成果は主に次の2点である。1つめの成果は「分子を用いた高品質素子の作製研究」であり、フタロシアニン分子と単結晶Fe/MgO接合のハイブリッドデバイスの作製に成功した。2つめの成果は「分子スピンの電気的検出及び制御に関する研究」であり、Feフタロシアニン分子とPtを有するデバイスにおいてラジカルスピンの電気的検出に成功し、原理的に電気的制御が可能であることを示唆する結果を得た。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】24,570千円 (直接経費: 18,900千円、間接経費: 5,670千円)

【研究分野】応用物性

【研究領域課題番号】15H02012 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / スピン流 / スピンゼーベック効果 / スピンペルチェ効果 / マグノン / フォノン / 異常エッチングスハウゼン効果 / ロックインサーモグラフィ / 磁性材料 / スピンエレクトロニクス / 磁性 / 誘電体物性 / 熱工学

【研究成果の概要】

スピントロニクスとフォノニクスの融合により、熱スピン変換の高性能化・自在制御に資する物理と材料技術を開拓した。主な研究対象は、熱流からスピン流を生成するスピンゼーベック効果と、その逆効果であるスピンペルチェ効果である。スピンゼーベック効果の系統的な測定により、ナノ構造化によるマグノン・フォノン伝搬の独立制御、及び磁気弾性結合を介した熱的スピン流生成を実現した。さらにロックインサーモグラフィ法に基づく熱スピン効果のイメージング計測技術を確立し、スピン流に空間的に局在した温度変化が伴うことを見出した。これらの成果は、フォノニクスを取り込んだ次世代スピントロニクスの基盤となることが期待される。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】42,770千円 (直接経費: 32,900千円、間接経費: 9,870千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】15H05456 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

トポロジー / 強相関電子系 / 物性実験 / キラル磁性体 / モノポール / スピントロニクス / スピンエレクトロニクス

【研究成果の概要】

電気の力の源である粒子(陽子や電子)に対応する、磁石のN極またはS極だけの性質を持った素粒子、すなわち磁気モノポールは未だ発見されておらず、電磁気学では磁気モノポールは存在しないと仮定されて体系化されています。しかし電子の幾何学的位相を利用すれば、物質中に磁気モノポールがあたかも存在しているかのような状況を実現できると理論的に提唱されていました。本研究では、磁石の源であるスピンの集団が織りなす幾何学構造のトポロジーに注目し、磁気モノポールの発現とその対消滅のダイナミクスに伴う電磁気効果を発見しました。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2017-03-31

【配分額】20,930千円 (直接経費: 16,100千円、間接経費: 4,830千円)

【研究分野】電子デバイス・電子機器

【研究領域課題番号】15H03981 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / 磁性ナノ薄膜 / 誘電体 / 交流インピーダンス特性 / 磁性薄膜 / ナノ構造 / マイクロ・ナノデバイス / スピンエレクトロニクス / 表面・界面物性 / 誘電体物性 / 省エネルギー / 強磁性トンネル接合 / 磁気キャパシタンス効果

【研究成果の概要】

電子の電荷とスピンの2つの自由度を利用する「スピントロニクス」は、現代のエレクトロニクスを凌駕する次世代技術として期待され、近年大きな注目を集めている。本研究課題では、強磁性ナノ薄膜間に極薄絶縁層を挟んだスピントロニクス素子を作製し、磁気キャパシタンス効果を調べることを目的とした。その結果、これまでで最大の155%の磁気キャパシタンス比を観測することに成功した。これは従来値(=50%)の約3倍を示す。また、本実験結果はデバイ・フレーリッヒ模型を用いた理論計算により定量的に説明できることがわかった。本理論によると磁気キャパシタンス比は1000%を超えることから、今後更なる発展が期待できる。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】17,030千円 (直接経費: 13,100千円、間接経費: 3,930千円)

【研究分野】応用物性

【研究領域課題番号】26286041 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピンエレクトロニクス / 熱工学 / 排熱利用 / エネルギー効率 / 磁性 / エネルギー効率化 / スピン波 / 磁気共鳴 / 赤外線カメラ / スピントロニクス / スピンホール効果

【研究成果の概要】

先ず、スピン波熱移送効果の原理の解明に取り組み、イットリウム鉄ガーネット(YIG)磁性体試料において励起スピン波の周波数依存性を観測した。励起スピン波において、低周波数では試料端でのスピン波熱移送効果が観測されるが、高周波数ではより試料内側に効果がシフトして観測されることを明らかにした。続いてスピンホール効果によるスピン波熱移送効果の制御を試みた。YIG試料上に製膜されたプラチナ薄膜やタングステン薄膜へ電流を印加し、スピンホール効果によるスピン注入による熱移送量の変調に起因する可能性のある温度の変調信号を赤外線カメラにより観測することに成功した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】16,120千円 (直接経費: 12,400千円、間接経費: 3,720千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】26287071 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

トポロジカル絶縁体 / スピン分解光電子分光 / スピントロニクス / 表面・界面物性 / 光電子分光 / スピン軌道相互作用 / ラシュバ効果 / スピンエレクトロニクス

【研究成果の概要】

固体中で動く電子は、スピン軌道相互作用や結晶の対称性により様々な方向に向くスピンを持つ。本研究ではスピンと運動量の関係が重要な影響を持つ高機能物質の電子状態を解明するために、スピン分解ARPES装置の改造と、これを用いた電子構造研究を行った。その結果、ワイル半金属の表面フェルミアーク、希薄磁性半導体GaMnAsのAsホールバンド、重金属薄膜の１次元エッジ状態、線ノード半金属の表面状態などの電子状態の観測に成功した。これらの成果から、新規トポロジカル物質相の開拓、およびGaMnAaの強磁性機構の解明に成功したと結論した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】15,470千円 (直接経費: 11,900千円、間接経費: 3,570千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】26289086 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

電子材料 / 結晶成長 / 磁性材料 / 電子デバイス / スピントロニクス / スピンエレクトロニクス / 電子・電気材料 / 電子デバイス・機器 / 表面・界面物性

【研究成果の概要】

スピン自由度を利用したスピン電界効果型トランジスタの特性を最大限に発揮するための要素技術として、ハーフメタル特性をもつニッケルフェライト、コバルトフェライトに着目して、これらの薄膜の作製法を確立すると共に超薄膜における物性を明らかとした。　１つの研究項目として、シリコン基板上に良好な特性をもつニッケルフェライト薄膜を作製して、良好な物性とSiOxを形成しない作製条件を見出した。また、コバルトフェライトの磁気特性と構造との相関関係を明らかとして、デバイスに必要な特性を有する膜厚条件を見出した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】16,640千円 (直接経費: 12,800千円、間接経費: 3,840千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】26249039 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分子線エピタキシー / 半導体 / 酸化物 / スピントランジスタ / スピン注入 / 強磁性半導体 / スピントロニクス / 量子構造 / トランジスタ / ヘテロ構造 / スピンエレクトロニクス / ペロブスカイト酸化物 / トンネル磁気抵抗効果

【研究成果の概要】

スピントランジスタの動作実証を中心とし、その周辺技術の開拓や学術構築も含め、次のような様々な成果を得ることに成功した。①強磁性半導体GaMnAsを用いた縦型スピントランジスタの動作実証②GaMnAs量子井戸の量子サイズ効果を利用した新規物理の発見③GaMnAs横型スピンバルブ素子における大きな磁気抵抗比の実現④酸化物半導体を用いた縦型スピントランジスタの世界初室温動作実証⑤Ge系磁性半導体における強磁性発現メカニズム等の解明⑥強磁性ペロブスカイト酸化物ヘテロ構造における特異なスピン依存伝導の観測⑦トポロジカル結晶絶縁体におけるスピン流電流変換の初実証⑧超短パルス光を用いた磁性とバンドの高速変調

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】41,470千円 (直接経費: 31,900千円、間接経費: 9,570千円)

【研究分野】機能物性化学

【研究領域課題番号】25220803 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

磁性 / キラル磁性 / 先端機能デバイス / 結晶育成 / スピントロニクス / 分子性キラル磁性 / キラルヘリカル磁気構造 / キラルスピンソリトン格子 / スピン位相オーダー / ＤＭ相互作用 / キラル結晶設計 / スピンエレクトロニクス / 結晶成長 / 一軸性キラリティ / トポロジカル効果 / キラル結晶成長

【研究成果の概要】

キラル磁性体の結晶育成では、分子性キラル磁性体では左右作り分けを含め、育成方法を確立した。無機キラル磁性体では、溶液からの結晶化、フラックス法、レーザーFZ、単一キラルドメイン結晶の育成に成功した。現在では最大数cmのキラル単一ドメイン結晶について、共同研究者に測定サンプルとして提供している。キラル磁性体のスピン位相整列による新規物性では、磁化の離散性、磁気抵抗の離散効果など発見し、論文発表、文科省での記者会見を行った。キラルスピン構造の左右確定についても、偏極中性子線回折によって明らかにした。その結果、構造の左右とスピン構造の左右について実験的に確定した。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2013-05-31 - 2018-03-31

【配分額】240,630千円 (直接経費: 185,100千円、間接経費: 55,530千円)

【研究分野】応用物性

【研究領域課題番号】25706017 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / スピン軌道相互作用 / ヘテロ構造 / スピン流 / スピンエレクトロニクス

【研究成果の概要】

スピンホール磁気抵抗効果を利用し、5d遷移金属のスピンホール角の大きさを調べた結果、スピンホール角は5d遷移金属の構造に大きく依存し、多くの材料でアモルファス構造が大きな値をもつことがわかった。また、スピンホール磁気抵抗の温度依存性からスピンホール角を正確に決めるためには、強磁性金属層への縦スピン吸収を考慮しなければならないことを明らかにした。さらに、電流誘起有効磁場のベクトル分解測定とその温度依存性から、非磁性/強磁性界面におけるスピンミキシングコンダクタンスが特異な値を持つことがわかった。さらにこの界面では、物質の組み合わせによってジャロシンスキー守谷相互作用を制御できることがわかった。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】24,830千円 (直接経費: 19,100千円、間接経費: 5,730千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】25247058 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強相関電子系 / スピントロ二クス / マグノン / スピンエレクトロニクス / スピントロニクス / マイクロ波 / テラヘルツ波 / スピントロンクス

【研究成果の概要】

代表者の小野瀬は、マグノン励起における電気磁気結合を用いてCu2SeO3やCuB2O4のマイクロ波電気磁気効果を初めて測定することに成功した。また、LiFe5O8においてジャロシンスキー守谷相互作用に由来する非相反なマグノン伝搬を観測することに成功した。分担者の貴田は、フェムト秒レーザー照射による対称性の破れた強誘電体や強磁性体からのテラヘルツ電磁波放射現象の探索を行い、磁性強誘電体Co3B7O13I、LiFe5O8などからテラヘルツ電磁波が発生することを見出した。さらに、放射したテラヘルツ電磁波の位相を利用すると、電気分極ドメインが簡便に可視化できる新たなイメージング手法を開発した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】45,500千円 (直接経費: 35,000千円、間接経費: 10,500千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】25247051 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / 超伝導トランジスタ / 希薄磁性半導体 / 超伝導近接効果 / スピン３重項超伝導 / アンドレーフ反射 / 量子ホール効果 / スピン軌道相互作用 / グラフェン / 二硫化モリブデン / スピンホール効果 / スピン注入 / スピン拡散長 / マヨラナフェルミオン / スピンエレクトロニクス / 超伝導-半導体接合 / トポロジカル超伝導

【研究成果の概要】

近接効果により２次元電子系内に生じた超伝導電流を，スピンホール効果によってスイッチすることに成功した．また，このような超伝導接合が，トラップ磁束によって0接合からπ接合へと変化する現象を見出した．希薄磁性半導体(In,Fe)Asを近接効果で超電導状態にし，これがスピン３重項超伝導である可能性が高いことを見出した．
スピン軌道相互作用が強い系の量子点接合で強いスピン偏極が起こることを検証し，特に単伝導度量子プラトーでの偏極を初めて検証した．
この技術を用いてスピン軌道相互作用が強い系に，スピン偏極した電子を注入することで，相対論的電子に特徴的なZitterbewegung現象を検証した．

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】44,070千円 (直接経費: 33,900千円、間接経費: 10,170千円)

【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】23686007 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

表面 / スピントロニクス / 物性実験 / 表面・界面 / ナノスケール電気伝導測定技術 / スピンエレクトロニクス / 表面・界面物性

【研究成果の概要】

本研究の目的は微小領域の電位分布測定が可能な走査トンネルポテンショメトリ(STP)測定を行い、表面ラシュバ系の電荷・スピン伝導を検出することであった。そのために超高真空、低温、強磁場下で動作する走査トンネル顕微鏡(STM)を建設した。そしてSTP測定用の回路をこのSTM装置に組み込み、電流印加時の表面形状測定と局所電位測定が同時に行えることを実証した。具体的にはSi(111)表面上に作成できるBi(111)超薄膜に対してSTP測定を行い、電位勾配をきちんと測定できた。また表面を微細加工して非局所伝導を測定することでBi2e3薄膜のスピンホール効果を測定することができた。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2011-04-01 - 2014-03-31

【配分額】27,690千円 (直接経費: 21,300千円、間接経費: 6,390千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】23686049 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

crystal growth / spintronics / 結晶成長 / スピンエレクトロニクス / 電子・電気材料 / 電子デバイス・機器 / 量子閉じ込め

【研究成果の概要】

本研究での目標であるスピンフィルター磁性ヘテロ構造を創製するために、Si基板上にエピタキシャル薄膜緩衝層を作製することがその基盤となる。この課題について特に取組み、γ-Al2O3層の電子ビーム蒸着法による作製やパルスレーザー堆積法による作製、それらに加え、意図的に酸化したSi基板上に、パルスレーザー堆積法、或いはKセルによってAl薄膜を堆積して熱により固相成長する方法もおこなった。
高速反射電子回折、原子間力顕微鏡、X線光電子分光、による評価をおこなった。これらによって、Si基板を酸化しない結晶相に近い層は作製できたが、化学量論比や緩衝層上に磁性薄膜を作製するまでには至らなかった。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2011-04-01 - 2014-03-31

【配分額】25,610千円 (直接経費: 19,700千円、間接経費: 5,910千円)

【研究分野】マイクロ・ナノデバイス

【研究領域課題番号】20310077 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノバイオ / スピントロニクス / 磁性ナノ粒子 / スピンエレクトロニクス / マイクロ・ナノデバイス

【研究成果の概要】

医療やバイオ分野においてタンパク質、DNA、ウイルスのような生体関連物質を高感度で検出するための標識となる磁気ビーズと磁気センサを用いたシステムの主構成要素とその統合について検討を行った。高分子を用いることで高い磁気応答性を有する鉄・白金合金ナノ粒子の集積体からなる磁気ビーズの作製に成功した。またそのビーズを検出するトンネル磁気抵抗効果型磁気センサを作製するための手法を開発し、マイクロ流体デバイスにそれらを搭載した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】19,240千円 (直接経費: 14,800千円、間接経費: 4,440千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】20840011 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

グラフェン / 半導体 / ナノエレクトロニクス / スピントロニクス / 量子ドット / 物性理論 / ナノ材料 / 半導体物性 / スピンエレクトロニクス / グラフェン・ナノディスワ / グラフェン・ナノディスク

【研究成果の概要】

グラフェン及びグラフェン派生物質に付随する物理現象は,現在の物性物理で最も注目を集めている物の一つである.特に,グラフェンを一次元状に切り出したグラフェン・ナノリボンに関しては多くの研究がなされている.同様に重要な物質として,グラフェン・ナノディスクがある.これは閉じた境界を持つグラフェン派生物である.このナノディスクという新しい物理系の豊かな電磁的性質を明らかにし,バンド構造などの基礎的物性から,スピントロニクスなどの応用まで論じた.

【研究種目】若手研究(スタートアップ)

【研究期間】2008 - 2009

【配分額】2,977千円 (直接経費: 2,290千円、間接経費: 687千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】16740167 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピンエレクトロニクス / スピンホール効果 / エッジ状態 / トポロジカル秩序 / スピン流 / ビスマス / 表面状態 / グラファイト / ベリー位相 / スピントロニクス / フォトニック結晶 / スピン軌道相互作用 / p型半導体 / 電気分極 / ゲージ場

【研究成果の概要】

電場でスピン流を誘起する効果(スピンホール効果)について、本年度は特に量子スピンホール相に着目し研究した。量子スピンホール相とはトポロジカル秩序の一種で、非磁性絶縁体であるが非自明なトポロジカル数を持ち、不純物等に対して安定な表面状態を持つ。こうした相は理論的に提唱されたものの、実験と関連づけられる系はまだないため、その候補となる物質探索を行った。前年度研究代表者が発見したように、絶縁体でのスピンホール効果は帯磁率と関連づけられるため、反磁性帯磁率の大きいビスマスについて、薄膜の場合にトポロジカル数の計算やバンド計算を行い、2次元系では量子スピンホール相になることを提案した。3次元での表面状態等の実験との比較を行い、半金属ビスマス、アンチモンやそれらの合金が量子スピンホール相の候補となることを理論的に提案した。本結果を実験研究者や第一原理研究者へと提案し、実験的検証に向け研究を進めている。
上記とも関連して電荷のポンピングの研究も行った。異常ホール効果やスピンホール効果と、電荷のポンピングとは一見全く異なっているが、理論的な枠組み(ベリー位相の物理)は類似しており同様の方法論を使うことができる。特に今年度は不純物の多い1次元系について、ベリー位相によるトポロジーの効果が、(不純物の存在下でも)電荷ポンピングに強く影響することを実証した。
また光でも同様の現象が研究代表者らにより前年度に予言された。この光のベリー位相の物理について、今年度は精密な定式化を行い、媒質界面やフォトニック結晶内での光線のシフトを計算した。またX線についても、ベリー位相の効果が顕著になる例を発見した。それは歪んだ結晶中をX線波束が進む場合に、歪みの大きさよりも何桁も大きく波束がシフトするというものであり、これは最近実験的に観測されつつある。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2004 - 2006

【配分額】3,100千円 (直接経費: 3,100千円)

【研究分野】電子デバイス・電子機器

【研究領域課題番号】16686024 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピンエレクトロニクス / スピントロニクス / 強磁性半導体 / Ge / Si / ナノ構造 / スピントランジスタ / シリコンテクノロジー / MOSデバイス / 強磁性ショットキー接

【研究成果の概要】

強磁性半導体は高いスピン分極率や,電界効果磁性制御といった通常の強磁性金属では持ち得ない機能を有していることから,スピンバイスへの応用上極めて有用な機能材料である,強磁性半導体はこれまで化合物半導体を中心に研究が進められてきたが,集積エレクトロニクスの中心であるシリコンテクノロジーに整合するものは本研究課題の開始当時には,ほとんど報告されていなかった.本研究課題では,SiやGeといったIV族半導体をホスト材料として強磁性半導体を実現することを目標とした。
Siをホスト材料とする強磁性半導体の実現に向けて,Si中にMn,Cr,Feをドープした場合のエピタキシャル成長の過程(特に基板温度と遷移金属の濃度の関係)を詳細に調べ,この磁性について調べた.Siの場合では,ドープした遷移金属の量によっては,マクロには強磁性を示すものもあった.また,同様にいくつかの他の研究機関からMnドープSiが強磁性を示すことが報告されたが,これらの報告ではバンド構造についての評価はなく,これらが真の強磁性半導体として振舞うかは不明であった.本研究課題では,強磁性発現の起源を明らかにするため,磁気円二色性によるバンド構造の評価を行った.この詳細な観測から,Mn, Cr, Feのどれを用いても,これまでのところバンド構造のスピン分裂によって磁性を発現させているものは得られていないと結論した.
一方,Geついては,Mnをドープすることによって,容易に強磁性を示す試料が得られた.詳細な構造評価と磁気円二色性を使った電子構造の評価から,Ge_<1-x>Mn_xの膜構造と磁性は,成長速度に強く依存して大きく変化することがわかった.成長速度が遅い場合,GeにMnをドープしてもMnを含まないGeのマトリックスと高濃度にMnを含むアモルファスのGe_<1-y>Mn_yに相分離することが明らかになった.このアモルファスGe_<1-y>Mn_yは強磁性半導体として振舞うことを明らかにした.成長速度を増加させると,アモルファス相の析出は抑えられ,Mnの濃度の濃いナノスケールのGe_<1-y>Mn_y柱状構造と,Mn濃度の低いGe_<1-z>Mn_zマトリックスに分離するが,膜全体はダイヤモンド構造を維持していると考えられる構造となった.このナノ柱状構造は非常に高い強磁性転移温度を発現できる可能性が理論的に指摘されている構造である.磁気円二色性の評価からは,強磁性析出物によるものは確認されなかった.強磁性転移温度は150K程度であったが,今後キャリア密度の制御等によって,非常に高いキュリー温度が得られる可能性を見出した.また,GeにFeをドープした場合では,バンドのスピン分裂による強磁性が発現し,容易に強磁性半導体が実現できることを明らかにした.

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2004 - 2006

【配分額】23,400千円 (直接経費: 18,000千円、間接経費: 5,400千円)