【発表のポイント】

• スピントロニクス素子開発では、ハーフメタル材料における電流とスピン流をいかに効率よく変換するかが要となるが、変換機構については理解が進んでいない。
• ハーフメタル材料の一候補；ホイスラー合金薄膜において、薄膜内部と界面のそれぞれに由来する電流-スピン流変換機構があることを初めて発見。
• 電流-スピン流変換の機構解明に繋がる成果。内部と界面を個別に制御することによって、変換効率の飛躍的向上や機能拡張が期待できる。

【概要】

スピントロニクス素子開発におけるキーマテリアルの一つ、ハーフメタル^※1は、電気伝導を担う電子スピン^※2の向きが100%揃っている（スピン分極^※3している）磁石材料です。ホイスラー合金^※4の一部はハーフメタルになることが理論予測されており、次世代のスピントロニクス材料として期待されています。

今回、東北大学金属材料研究所の温振超特任助教（現 物質・材料研究機構　主任研究員）、関剛斎准教授、窪田崇秀助教、および高梨弘毅教授らの研究グループは、このホイスラー合金における特異な電流-スピン流変換現象（以下、スピン変換と呼ぶ）を観測することに成功しました。

スピントロニクス素子では電流とスピン流（スピン角運動量の流れ）をいかに効率よく変換するかが素子性能を左右します。一方、磁石（強磁性体）の内部（バルク）と界面がどのようにスピン変換に寄与しているかは全く理解されていませんでした。そこで、ホイスラー合金と磁性絶縁体であるY3Fe5O12結晶（以下、YIGと呼ぶ）を接合させ、スピンポンピング^※5という手法を用いて電流-スピン流変換の温度依存性を詳細に調べたところ、検出された電圧信号の符号がある温度を境に反転することを実験的に見出しました。理論計算と比較をしたところ、バルクと界面のそれぞれに由来する機構があることを発見しました。本結果は、強磁性体中でのスピン変換の機構解明に繋がる知見であり、バルクと界面の特性を個別に制御することによって、素子の性能向上や機能拡張が期待できます。

【用語解説】

※1 ハーフメタル
スピン分極率が１００%の材料。すなわち、上向きスピンあるいは下向きスピンのどちらかの伝導電子のみが存在している。この材料を用いることで、磁気抵抗効果を増大させることが可能となる。

※2 スピン流
スピン角運動量の流れ。電子スピンは自転しており、（スピン）角運動量を持っている。この電子スピンを上向きスピンと下向きスピンに区別すると、上向きスピンの流れJ_↑と下向きスピンの流れJ_↓を用いて電流はJ_↑+ J_↓と表すことができる。一方で、スピン流はJ_↑- J_↓で表されます。J_↑とJ_↓が異なる強磁性体では電荷の流れを伴うスピン流が生じ、上向きスピンと下向きスピンが同数存在する非磁性体ではJ_↑とJ_↓が逆方向に流れることによりJ_↑- (- J_↓)の純スピン流を生成することができる。

※3 スピン分極
上向きスピンと下向きスピンの伝導電子の数にアンバランスが生じる現象。多くの強磁性体の中では、上向きスピンと下向きスピンの数に差が生じる。その差の大きさをスピン分極率と呼ぶ。スピン分極率が高い材料は大きな磁気抵抗効果を発現したりするため、スピン分極率の大きさはスピントロニクス材料として重要な指標となる。

※4 ホイスラー合金
ドイツのF. Heuslerによって発見された金属間化合物。図1に示すように、XYZのハーフホイスラー合金とX₂YZのフルホイスラー合金がある。ここでXYは遷移金属元素、Zは13族または14族元素となる。ホイスラー合金の多くはハーフメタルになる可能性があり、注目を集めている。

※5 スピンポンピング
ある磁性層において磁化の運動が緩和する時、隣接する強磁性層や非磁性層と角運動量のやりとりをする。その際、隣接する層にスピン流が流れ込む。この現象をスピンポンピングと呼び、スピン流を注入する手法として広く用いられている。

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究内容に関して）
東北大学金属材料研究所
磁性材料学研究部門
関　剛斎
Tel：022-215-2097
E-mail：go-sai*imr.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（報道に関して）
東北大学金属材料研究所 情報企画室広報班
冨松　美沙
Tel:022-215-2144　FAX:022-215-2482
E-mail：pro-adm*imr.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）