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( ^~^) 토호쿠대, 전자 스핀 영구 선회 상태의 전기적 제어에 성공

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토호쿠대학(토호쿠대)은, 반도체 트랜지스터 구조를 이용해전자 스핀의 방향을 가지런히 한 채로 영구적으로 회전할 수 있는 상태(스핀 영구 선회 상태)를 만들어 내는 것에 성공했다고 발표했다.
이것에 의해, 차세대 전력 절약・고속 반도체 디바이스의 실현을 기대할 수 있다고 한다.

 동성과는, 같은 대학 대학원 공학 연구과호전성준교수, 동연구과국교요 츠카사 박사 후기 과정 학생, 동연구과 닛타 쥰작 교수, 레이겐스브르크 대학(독일) 등의 연구 그룹에 의하는 것.
자세한 것은, 미국 과학잡지 「Physical Review B」의 속보판에 8월 27일부로 게재되었다.

 반도체 디바이스에는, 전자가 가지는「전하」가 활용되고 있다.전자는 전하와 함께「스핀」로 불리는 자석의 성질도 가지지만, 종래, 쌍방을 동시에 이용할 것은 없었다.

 스핀에는 향상되어 스핀과 하향 스핀이 존재해, 미소 자석의 오름새와 하향에 대응시킬 수 있기 위해, 반도체에 대해 전하와 함께 스핀을 이용할 수 있으면, 전하가 가지는 연산 기능과 스핀이 가지는 기록 기능을 1개의 소자로 겸비하는, 차세대의 반도체 디바이스를 실현할 수 있게 된다.이것을 실현하기 위해서는, 전자 스핀의 방향을 정밀하게 제어해, 한편 스핀의 방향을 오랫동안 보관 유지할 필요가 있다.

 반도체에 대해 전기적으로 스핀 제어를 실시하려면 , 스핀 궤도 상호작용을 이용한다.
스핀 궤도 상호작용은, 외부에서 자장을 인가하지 않아도 전자 스핀에 대해 유효적인 자장으로서 일하기 위해, 스핀의 방향을 자재로 제어하는 것이 가능하고, 전기적 스핀 제어에 필요 불가결하지만, 동시에 스핀의 방향을 뿔뿔이 흩어지게 하는 스핀 완화의 원인이기도 하기 위해, 지금까지 전기적 스핀 제어를 실현하면서, 스핀 완화를 억제하는 것은 곤란이라고 생각되어 왔다.

 이러한 생각에 대해 2003년, 독일의 이론 그룹이 스핀 궤도 상호작용이 존재해도, 스핀 완화가 완전하게 억제할 수 있는 스핀 영구 선회 상태의 존재를 예언했다(그림 1).
통상, 전자는 다양한 방향으로 움직이기 위해, 서로 이웃이 되는 스핀의 방향도 거기에 맞추어 뿔뿔이 흩어져, 스핀 완화가 생긴다.

 한편, 스핀 영구 선회 상태에서는, 서로 이웃이 되는 전자가 따로 따로 움직여도 전자 스핀은 항상 서로 같은 방향을 보관 유지하고 있어, 스핀 완화가 생기지 않는다.이 스핀 영구 선회 상태를 실현하려면 , 반도체에 존재하는 2 종류의 스핀 궤도 상호작용(라슈바스핀 궤도 상호작용과 드렛세르하우스스핀 궤도 상호작용)을 동시에 제어해 서로의 힘을 동일하게 할 필요가 있었다.

이것을 받아 2009년, 캘리포니아 대학의 그룹이, 다른 시료를 얼마든지 준비한 다음 광학적인 관측 수법을 이용하고, 스핀 영구 선회 상태의 관측을 실시하고 있지만, 실용적인 차세대 반도체 디바이스를 실현하기 위해, 현재의 일반적인 트랜지스터 구조를 이용하고, 스핀 영구 선회 상태를 실현하는 것이 요구되고 있었다.

(그림 1) 반도체에 있어서의(a) 통상의 스핀 완화와(b) 스핀 영구 선회 상태


(그림 2)
(a) 본연구로 이용한 트랜지스터 구조의 모식도.
(b) 다른 게이트 전압에 있어서의 자기 전도 특성 측정 결과


이번, 연구 그룹은, 그림 2에 나타낸 실험 결과에 의해, 트랜지스터 구조를 이용한 스핀 영구 선회 상태의 전기적 제어를 실현하는 것에 성공했다.2 종류의 스핀 궤도 상호작용을 정밀하게 제어하기 위해(때문에), 화합물 반도체인 InGaAs를 이용한 2 차원 전자 가스 구조를 설계해, 그림 2(a)에 나타내는 트랜지스터를 제작.

트랜지스터에는 게이트 전극이 장착되어 이 게이트에 인가하는 전압의 힘에 의해, 라슈바스핀 궤도 상호작용의 힘을 자재로 변화시키는 것을 가능과 아래.스핀 궤도 상호작용의 힘이 바뀌면, 트랜지스터의 자기 전도 특성이 바뀌는 것을 이용하고, 2 종류의 스핀 궤도 상호작용의 상대적인 힘이 어떻게 변화하는지를 계통적으로 조사했는데(그림 2(b)),

게이트 전극에―7.0 V를 인가하면, 스핀 영구 선회 상태로 관측되는 약국 재상태가 나타나 트랜지스터 구조를 이용해 스핀 영구 선회 상태의 전기적 제어가 가능하다라고 하는 것이 확인되었다.

게다가 독일의 레이겐스르브르크 대학에 있어서의 연구에서, 2 종류의 스핀 궤도 상호작용의 힘을 광학 측정에 의해 정밀하게 측정해, 라슈바스핀 궤도 상호작용과 드렛세르하우스스핀 궤도 상호작용의 힘의 비가 1.08인 것이 판명.

이것은, 이론 예상인 1(=라슈바 및 드렛세르하우스스핀 궤도 상호작용이 동일한 상태)에 한해 없고 가까운 값이었다고 한다.

연구 그룹에서는, 이번 성과에 의한 스핀 영구 선회 상태를 이용하는 것으로, 스핀을 이용한 인버터 회로의 실현이 가능해지면 하고 있어, 그림 3과 같은 회로 구조를 제안하고 있어 이러한 인버터 회로는, 지금까지 CMOS 트랜지스터에 의해 실현되어 집적회로를 구성하는 기본 요소가 되고 있었지만, 향후는, 스핀을 이용한 저소비 전력 트랜지스터나 집적회로로 발전시킬 수 있다고 코멘트하고 있다.

그림 3 스핀 영구 선회 상태를 이용한 인버터 회로의 모식도.


http://news.mynavi.jp/news/2012/09/11/052/
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( ^~^) 東北大、電子スピン永久旋回状態の電気的制御に成功



東北大学(東北大)は、半導体トランジスタ構造を利用して電子スピンの向きを揃えたまま永久的に回転できる状態(スピン永久旋回状態)を作り出すことに成功したと発表した。
これにより、次世代省電力・高速半導体デバイスの実現が期待できるという。

 同成果は、同大 大学院工学研究科 好田誠准教授、同研究科 国橋要司博士後期課程学生、同研究科 新田淳作教授、レーゲンスブルク大学(ドイツ)らの研究グループによるもの。
詳細は、米国科学誌「Physical Review B」の速報版に8月27日付けで掲載された。

 半導体デバイスには、電子の持つ「電荷」が活用されている。電子は電荷と共に「スピン」と呼ばれる磁石の性質も持つが、従来、双方を同時に利用することはなかった。

 スピンには上向きスピンと下向スピンが存在し、微小磁石の上向きと下向きに対応させることができるため、半導体において電荷とともにスピンを利用することができれば、電荷の持つ演算機能とスピンの持つ記録機能を1つの素子で兼ね備える、次世代の半導体デバイスを実現できることとなる。これを実現するためには、電子スピンの向きを精密に制御し、かつスピンの向きを長い間保持する必要がある。

 半導体において電気的にスピン制御を行うには、スピン軌道相互作用を利用する。
スピン軌道相互作用は、外部から磁場を印加しなくても電子スピンに対し有効的な磁場として働くため、スピンの向きを自在に制御することが可能であり、電気的スピン制御に必要不可欠だが、同時にスピンの向きをばらばらにするスピン緩和の原因でもあるため、これまで電気的スピン制御を実現しながら、スピン緩和を抑制することは困難であると考えられてきた。

 こうした考えに対し2003年、ドイツの理論グループがスピン軌道相互作用が存在しても、スピン緩和が完全に抑制できるスピン永久旋回状態の存在を予言した(図1)。
通常、電子は色々な方向に動くため、隣り合うスピンの向きもそれに合わせてばらばらになり、スピン緩和が生じる。

 一方、スピン永久旋回状態では、隣り合う電子が別々に動いても電子スピンは常に互いに同じ向きを保持しており、スピン緩和が生じない。このスピン永久旋回状態を実現するには、半導体に存在する2種類のスピン軌道相互作用(ラシュバスピン軌道相互作用とドレッセルハウススピン軌道相互作用)を同時に制御して互いの強さを等しくする必要があった。

これを受けて2009年、カリフォルニア大学のグループが、異なる試料をいくつも用意した上で光学的な観測手法を用いて、スピン永久旋回状態の観測を行っているが、実用的な次世代半導体デバイスを実現するため、現在の一般的なトランジスタ構造を利用して、スピン永久旋回状態を実現することが求められていた。

(図1)半導体における(a)通常のスピン緩和と(b)スピン永久旋回状態


(図2)
(a)本研究で用いたトランジスタ構造の模式図。
(b)異なるゲート電圧における磁気伝導特性測定結果


今回、研究グループは、図2に示した実験結果により、トランジスタ構造を用いたスピン永久旋回状態の電気的制御を実現することに成功した。2種類のスピン軌道相互作用を精密に制御するため、化合物半導体であるInGaAsを用いた2次元電子ガス構造を設計し、図2(a)に示すトランジスタを作製。

トランジスタにはゲート電極が取り付けられ、このゲートに印加する電圧の強さにより、ラシュバスピン軌道相互作用の強さを自在に変化させることを可能と下。スピン軌道相互作用の強さが変わると、トランジスタの磁気伝導特性が変わることを利用して、2種類のスピン軌道相互作用の相対的な強さがどのように変化するのかを系統的に調べたところ(図2(b))、

ゲート電極に-7.0Vを印加すると、スピン永久旋回状態で観測される弱局在状態があらわれ、トランジスタ構造を用いてスピン永久旋回状態の電気的制御が可能であることが確認された。

さらに、ドイツのレーゲンスルブルク大学における研究にて、2種類のスピン軌道相互作用の強さを光学測定により精密に測定し、ラシュバスピン軌道相互作用とドレッセルハウススピン軌道相互作用の強さの比が1.08であることが判明。

これは、理論予想である1(=ラシュバおよびドレッセルハウススピン軌道相互作用が等しい状態)にかぎりなく近い値だったという。

研究グループでは、今回の成果によるスピン永久旋回状態を利用することで、スピンを用いたインバータ回路の実現が可能となるとしており、図3のような回路構造を提案しており、このようなインバータ回路は、これまでCMOSトランジスタにより実現され、集積回路を構成する基本要素となっていたが、今後は、スピンを利用した低消費電力トランジスタや集積回路へと発展させることができるとコメントしている。

図3 スピン永久旋回状態を用いたインバータ回路の模式図。


http://news.mynavi.jp/news/2012/09/11/052/

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