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阐明了磁性材料中自旋转换的机理- -由于自旋转换效率的大幅提高，适用于非易失性磁存储器的途径- 重点 阐明了磁性材料中自旋转换现象的详细机制 通过控制界面的磁性材料，成功将自旋转换效率提高了约3倍 用于自旋轨道转矩型非易失性磁存储器( SOT-MRAM )的途径 概要 国立研究开发法人产业技术综合研究所【理事长石村和彦】(以下称为“产总研”)新原理计算研究中心【研究中心长汤浅新治】旋转设备小组日比野有岐研究员、谷口知大主任研究员、药师寺启研究小组长等， 阐明了磁性材料中电流转换为自旋流(自旋流)的现象(以下称为“自旋转换”:概要图(左) )的机理，实现了自旋转换效率的大幅提高。 在产总研中，迄今为止，通过利用磁性材料的自旋转换，以非易失性磁存储器MRAM的一种自旋轨道转矩型MRAM(SOT-MRAM ) (概要图(左) )的信息写入(微小磁铁的反转)的高性能化为目标进行了研究开发。 但是，由于磁性材料的自旋转换机制尚不清楚，因此没有确立实现应用中不可缺少的高自旋转换效率的方针。 这次，开发了可以正确检测磁性材料自旋转换的元件结构，系统地调查了自旋转换效率。 结果表明，存在由磁性材料的界面及内部(本体)产生的两个不同的自旋转换机制，进而发现了如图(右)所示，通过控制界面的磁性材料可以大幅提高自旋转换效率的方法。 本成果为同时实现超高速动作和省电性的下一代存储器SOT-MRAM铺平了道路，期待着将来实现移动终端和数据中心的省电和高性能化。 本成果将于2021年10月29日(英国时间)在线刊登在《国家通讯》上。  (左)磁性材料的自旋转换及利用该转换的SOT-MRAM的概念图 (右)通过界面的磁性材料控制大幅提高自旋转换效率 开发的社会背景 为了实现我国以未来社会为目标的Society5.0所需要的庞大的数据(大数据)分析，IT设备的飞跃节电化是必须的。 作为其解决方案之一，省电性优异的MRAM备受关注。 MRAM是作为磁隧道结元件( MTJ元件)的磁化方向(磁铁的方向:向上或向下)存储信息的存储器，具有不需要待机电力的非易失性、高速动作、耐久性等特征。 电流写入型MRAM(STT-MRAM )直接通过电流流向MTJ元件进行信息的写入和读取，已经作为系统LSI的混合存储器被商用化。 另一方面，作为新一代MRAM的候补技术之一，正在积极进行自旋轨道扭矩型MRAM(SOT-MRAM )的基础研究(图1 )。 在SOT-MRAM中，电流流过与MTJ元件相邻的布线层，利用由电流进行的自旋转换生成的自旋流，使MTJ元件的磁铁方向反转，写入信息。 读取信息时，与STT-MRAM一样，MTJ元件中流过微小的电流。 在该存储器结构中，由于写入时MTJ元件中不流过电流，因此原理上不存在STT-MRAM高速动作时成为问题的MTJ元件的通电破坏等问题。 因此，与STT-MRAM相比，SOT-MRAM具有容易同时实现高速动作和高可靠性的优点，被期待着作为超高速存储器的应用。 在迄今为止的SOT-MRAM的研究开发中，配线层使用的是非磁性材料。 在利用非磁性材料的自旋转换中，如图1(a )所示，由于生成自旋向薄膜的面内方向极化的自旋流，因此可以进行面内磁化MTJ元件的信息写入。 但是，将该自旋转换应用于存储器可高集成化的垂直磁化MTJ元件时，会产生误写入等许多问题。 因此，需要实现适合垂直磁化MTJ元件写入的新型自旋转换技术。 研究的经过 产业综合研究所从2014年开始进行了着眼于SOT-MRAM应用的自旋转换的基础研究，理论上提出了通过使用磁性材料而不是非磁性材料的异常霍尔效应，可以实现适合垂直磁化MTJ元件写入的自旋转换。 并且，制作了将磁性材料用于布线层的元件，在世界上率先成功进行了基于异常霍尔效应的自旋转换的实验性观测(产总研新闻发布，2018年2月13日)。 另一方面，美国国立标准技术研究所及KAIST的研究小组提出了在磁性材料中具有与异常霍尔效应不同对称性的新型自旋转换，期待着即使是图1(b )所示的容易制作的元件结构也能够实现垂直磁化MTJ元件的写入。 但是，该新型自旋转换的详细机制(例如，磁性材料的界面和本体的哪一个效果占主导地位)还没有确立实现省电动作所需的高自旋转换效率的方针。 为此，此次开发了可以高精度检测磁性材料自旋转换的元件，通过对自旋转换效率进行系统调查，致力于自旋转换的机理阐明和高效化。  图1 SOT-MRAM的基本结构 ( a )配线层使用非磁性材料的以往型的结构。 ( b )配线层使用磁性材料的新型结构。 磁性材料的磁铁和写入电流的方向平行时，会生成在垂直方向极化的自旋流，可以进行垂直磁化MTJ元件的高可靠性的信息写入。 本研究开发是在独立行政法人日本学术振兴会科学研究费补助金特别研究员奖励费(课题编号19J01643 )和科学技术振兴机构( JST )推进的战略性创造研究推进事业团队型研究( CREST ) (课题编号JPMJCR18T3 )的支持下进行的。 研究的内容 在本研究中，制作了如图2(a )所示的元件。 下部使用了由钴( Co )和镍( Ni )构成的多层膜的磁性材料(以下称为“Co/Ni多层膜”)作为布线层，上部使用了负责MRAM的信息存储的铁硼( Fe-B )合金层(以下称为“检测层”)。 另外，通过在两层间插入薄的铜( Cu )层，去除了磁性结合。 当电流流过该元件时，通过Co/Ni多层膜中的自旋转换生成的自旋流被注入到检测层。 在实验中，测量了由于自旋流的注入而在检测层产生的扭矩，并定量地评价了自旋转换效率。 作为其方法，着眼于检测层磁化的旋进即强磁性共振，对磁化动力学进行了电检测。 本元件由于表现出巨磁阻效应，因此能够进行高精度的电检测。 本研究首先调查了自旋转换中产生的自旋流依赖于Co/Ni多层膜的磁铁方向，具有什么样的极化方向。 结果表明，在Co/Ni多层膜中发生具有两种不同自旋方向的自旋变换(图2(b ) )。 一种是具有与非磁性材料的情况相同的自旋方向的自旋转换。 另一个是强烈依赖于磁性材料磁化方向的新型自旋转换，明确了这适合垂直磁化MTJ元件的写入。  图2 (a )制作的元件的示意图和( b )在磁性材料中观测到的2种自旋转换 观测到了与非磁性材料同样地，除了相对于磁铁方向不变的自旋转换(上)之外，自旋方向还根据磁性材料的磁化方向而变化的新型自旋转换(下)。 特别是后者的自旋转换适合于垂直磁化MTJ元件的信息写入。 接着，为了调查不依赖于磁化方向的新自旋转换的起源，进行了改变布线层膜厚的实验。 结果，观测到自旋转换效率相对于膜厚的减少而增大的行为(图3(a ) )。 该结果表明，以磁性材料的界面及内部(块体)为起源的两个不同的机构在相互抵消的方向上共存。 由此表明，界面的贡献对提高自旋转换效率至关重要。 其次，着眼于该界面的贡献，通过优化与铜的界面中的磁性材料的组成( Co和Ni的比例)，致力于提高自旋转换效率。 结果，通过将界面的磁性材料从Co变为Ni69Co31合金，成功地使自旋转换效率提高了约3倍(图3b )。 本研究明确了磁性材料中自旋转换的机理，并在此基础上证实了转换效率的大幅提高。 得到的自旋转换效率比用于垂直磁化SOT-MRAM的其他候补材料高一个数量级，表明磁性材料有望成为SOT-MRAM的布线层。 这些成果极大地促进了今后SOT-MRAM中布线层的材料开发。
图3磁性材料的新型自旋转换效率的( a )膜厚依赖性和( b )界面状态依赖性。 今后的计划 今后，将推进将磁性材料用于布线层的SOT-MRAM的研究开发。 进行了高速且高可靠性写入动作的实证研究，目标是通过与垂直磁化MTJ元件组合来实现高密度的SOT-MRAM。 另外，在实用化时，新的自旋转换效率需要达到1000 Ω-1cm-1 (约为现状的2倍)以上，以进一步提高转换效率为目标，致力于开发新的磁性材料。 如果SOT-MRAM得到实用化，有望实现移动终端和数据中心的省电和高性能化。 论文信息 杂志名称:国家通信Nature Communications论文标题:二进制转换二进制磁体通道二进制编译。Giant charge-to-spin conversion in ferromagnet via spin-orbit coupling.作者: Yuki Hibino，Tomohiro Taniguchi，Kay Yakushiji，Akio Fukushima，Hitoshi Kubota，和Shinji Yuasa DOI:10.1038/s41467-021-26445-y 用语说明 ◆自旋、自旋流、自旋变换、自旋变换效率 电子除了承担电力的“电荷”之外，还具有作为微小磁铁的特性——自旋角动量(所谓的“自旋”)。 电荷的流动是电流，自旋的流动叫做自旋流。 自旋转换是指如图1所示，通过在布线层中流过电流，在与电流正交的方向上产生自旋流的现象。 作为自旋变换的代表机构，列举了在非磁性材料等中出现的“自旋-霍尔效应”，起因于材料内部的自旋-轨道相互作用。 自旋转换效率是相对于施加于布线层的电场(或流过的电流)产生多少自旋流的指标。 转换效率越高，可以用小电流生成越大的自旋流，所以可以进行低功率的信息写入。 在本研究中，将自旋转换效率定义为向元件施加的每单位电场生成的自旋流的量。 ◆磁性材料 具有磁铁附着性质(称为强磁性)的材料。 作为代表性的磁性材料，可以列举铁( Fe )、钴( Co )、镍( Ni )、以及以它们为主要成分的合金。 ◆非易失性磁存储器MRAM、电流写入型MRAM(STT-MRAM ) 非易失性磁存储器MRAM是即使关闭电源也能保存存储信息的“非易失性存储器”的一种。 是将MTJ元件作为存储元件使用的存储器，具有非易失性高速动作、低功耗、低电压驱动等优良特性。 MTJ元件通过2个强磁性电极的磁铁的相对方向(平行、反平行)而呈高电阻状态和低电阻状态，可以分别与“1”和“0”对应地存储信息。 为了以微小磁铁的方向记忆信息，即使切断电源也能保持信息。 通过反转一个磁铁的方向，写入“1”、“0”的信息，检测MTJ元件的电阻(高电阻状态、低电阻状态)，读取信息。 在MRAM中，由于信息写入方式不同，有磁场写入型MRAM (切换MRAM )、电流写入型MRAM(STT-MRAM )、电压写入型MRAM (电压驱动MRAM或VC-MRAM )、自旋轨道转矩型MRAM(SOT-MRAM )等种类。 在目前主流的STT-MRAM中，在信息写入时和读取时，电流以相同的路径直接流向MTJ元件。 STT-MRAM已经在系统LSI的混合存储器等中被商用。 ◆自旋轨道转矩型MRAM(SOT-MRAM ) 自旋轨道转矩型MRAM(SOT-MRM )是下一代型MRAM的候补之一。 在SOT-MRAM中，信息写入时，电流流过与MTJ元件相邻的布线层，将通过自旋转换生成的自旋流注入MTJ元件，使磁铁的方向反转。 读取信息时，与STT-MRAM一样，MTJ元件中流过微小的电流。 由于写入时MTJ元件中不流过电流，因此原理上不存在STT-MRAM高速写入时出现的MTJ元件通电破坏等问题。 因此，与STT-MRAM相比，SOT-MRAM具有容易兼顾高速动作和高可靠性的优点，适合应用于超高速存储器。 但是，目前由于写入所需电流较大等问题，还处于研究开发阶段。 ◆界面、内部(批量) 异种物质接合时形成的接合面被称为“界面”。 由于界面上结构的反转对称性被破坏，因此已知有以“拉什巴效应”为首的各种物性现象的出现。 另一方面，与界面不接触的部分相当于物质的内部，在化学和物理学中被称为“本体”。 由于自旋霍尔效应是通过物质内部的自旋轨道相互作用生成自旋流，因此相当于本体效应。 ◆国家通信 英国国家石油公司(原美国石油集团)出版的涉及自然科学所有领域的综合科学杂志。 作为综合杂志，同时具有与各领域顶级期刊齐名的影响力( 2020年度的影响因素为14.919 )。 ◆磁隧道结元件( MTJ )、面内磁化MTJ元件、垂直磁化MTJ元件 磁隧道结元件是用2片铁磁性电极层夹着厚度约1–2 nm的绝缘体层(称为隧道阻挡层)的元件，也简称为MTJ元件。 也就是说，MTJ元件以【电极层/隧道阻挡层/电极层】的3层结构为基本结构，其上下附有布线层。 通常，绝缘体不导电，但在MTJ元件的两个电极之间施加电压时，会通过隧道势垒产生一种称为隧道电流的特殊电流。 显示出在两个铁磁性电极的磁化方向平行和反平行的情况下，MTJ元件的电阻发生变化的“隧道磁阻效应( TMR效应)”这一物理现象。 2004年，产业综合研究所率先在世界上开发了隧道势垒中使用氧化镁( MgO )的高性能MTJ元件。 该MTJ元件现在作为STT-MRAM的存储元件、硬盘磁头、磁传感器等被广泛实用化。 铁磁性电极层的磁铁相对于薄膜面平行方向的MTJ元件称为“面内磁化MTJ元件”，磁铁相对于薄膜面垂直方向的MTJ元件称为“垂直磁化MTJ元件”。 垂直磁化MTJ元件即使使元件尺寸微细化也具有高热稳定性，因此适合MRAM的高集成化。 ◆非磁性材料 不带磁性，不粘在磁铁上的材料。 铜、铝、金、铂等多种材料为非磁性材料。 ◆异常霍尔效应 电流流过磁性材料时，电流以及与磁铁的方向垂直的方向上产生电荷的流动。 这叫做异常霍尔效应。 为了与通常的霍尔效应(向半导体等施加磁场的同时流通电流时，在与电流和磁场方向垂直的方向上产生电荷流动的现象)进行区别，异常霍尔效应使用了“异常”一词。 产业综合研究所率先在理论上提出，利用该异常霍尔效应，不仅会产生电荷的流动，还会产生自旋的流动。 ◆磁性结合 如果在磁铁材料上直接接合其他磁铁材料，在接合面上磁化会结合，有时会一起运动。 这是由于通过磁铁内部的电子，2层的磁化方向一致，或试图反向的相互作用引起的。 在有这样的耦合的情况下，很难只检测出检测层的强磁性共振。 本实验通过夹住铜，消除了这种结合，使自旋变换的定量评价成为可能。 ◆铁磁性共振 通过对钟摆施加具有特定振动频率的力，即使是微弱的力也有可能产生较大的振动。 这就是共振现象。 磁铁的情况也一样，通过施加弱的交流磁场，在特定的条件下会引起很大的磁化岁差运动，这被称为铁磁性共振。 在本实验中，通过在元件中加入直流电流的基础上加入弱交流电流，从而产生交流磁场。 ◆巨磁阻效应 一种磁阻效应，在由膜厚为数纳米的磁铁/非磁性金属/磁铁构成的结构中，电阻值依赖于两层磁铁的磁化的相对角度而变化。 由于作为单体磁铁的磁阻效应，与代表性的各向异性磁阻效应相比，显示出1位数以上的电阻变化，因此在本实验中实现了高灵敏度的测量。 在本实验中，电气检测由强磁性共振引起交流变动的磁阻和交流电流的整流效果产生的直流电压。 ◆其他候补材料 在垂直磁化MTJ元件中，为了抑制误写入动作，需要生成在垂直方向上极化的自旋流的自旋变换。 作为实现该特异自旋变换的必要条件，除了层叠结构的结构反转对称性以外，还需要附加地破坏面内方向的对称性。 磁性材料的情况下，由于磁化会导致时间反转对称性的破坏，因此能够满足该条件。 其他候补材料有面内方向的结晶对称性被破坏的单晶低维材料和非线性反铁磁性体。 非线性反铁磁性材料是以磁矩在稳定状态下具有非共线(非线性)配置为特征的反铁磁性体，通过特征性的磁化结构，镜面对称性被破坏，从而满足了必要条件。 参考信息 开发了新一代非易失性磁存储器的新记录技术 - -配线的一部分材料使用磁铁，实现高可靠性、高性能化- 重点 在面内电流型磁存储器中实现了利用异常霍尔效应的新记录技术 发现配线的一部分使用以廉价铁为基本的磁铁材料可以得到高记录效率 利用能够降低记录改写错误的技术原理，期待高可靠性 概要 国立研究开发法人产业技术综合研究所【理事长中钵良治】(以下称为“产综研”)自旋电子学研究中心【研究中心长汤浅新治】饭浜贤志日本学术振兴会特别研究员、久保田均总结研究主干、金属自旋电子学队谷口知大主任研究员、药师寺启研究小组长， 提出了通过在配线材料中使用以铁为基本的磁铁材料，从而实现高可靠性的下一代非易失性磁存储器的新记录技术，并实际制作了元件进行了其原理实证。 产总研等近年来提出，通过利用被称为磁铁材料异常霍尔效应的物理特性，能够减少非易失性磁存储器的记录改写错误。 此次，制作了作为配线材料使用钴铁合金磁铁材料、作为记录层使用镍铁合金磁铁材料的新结构的面内电流型磁存储元件，并进行了记录技术的原理实证。 结果发现，通过以廉价且常见的铁为基础的材料的布线实现的自旋注入效率与铂等现有材料的布线同等高效，进而显示出能够降低记录改写的错误的高可靠性。 期待此次开发的新结构的元件和记录技术能实现兼具高可靠性和节能功能的下一代非易失性磁存储器。 该成果的详细情况于2018年2月8日(英国时间)在线刊登在《国家电子》上。  如果在磁铁下部配线中流过电流，则可以改写放置在上面的记录层的信息 (左)此次制作的元件的示意图 (右)根据此次成果提出的非易失性磁存储器的示意图 开发的社会背景 在AI和IoT设备活跃的今后的社会中，IT设备的超低功耗化将成为越来越重要的课题。 例如在移动IT设备中，CPU和内存的耗电量达到了整体的30~40%，成为了必须频繁充电的主要原因。 解决这个问题的方法之一是开发非易失性存储器。 其中，采用磁隧道结元件的垂直电流型非易失性存储器除了非易失性外，还具有高速、大容量、高可改写性等特征，作为新一代通用存储器备受瞩目。 另外，最近如图1 (左)所示的面内电流型磁存储器的研究也很活跃。 该设备以被称为记录层的磁铁的磁化方向存储信息，在改写信息时，电流通过记录层下的使用了非磁性材料的布线，使记录层的磁化反转。 由于不直接向记录层通电，因此与垂直电流型相比，记录层的通电破坏的危险性小，另外，写入和读取的电路分离，因此容易控制存储器功能。 根据这些特征，被广泛期待应用于要求超低功耗的IoT设备、凌驾于半导体存储器之上的超大容量存储器等。  图1 (a )现有面内电流型元件和( b )此次提出的新结构的比较 研究的经过 自2004年产业综合研究所发明具有氧化镁( MgO )隧道阻挡层的高性能隧道磁阻元件以来，将其定位为实现大容量垂直电流型非易失性磁存储器的核心技术，进行了国内外领先的器件开发。 与此并行，从2014年开始与美国国立标准技术研究所、法国国立科学研究中心一起进行了面内电流型磁存储器的研究。 并且，理论上提倡在将下部配线的一部分置换为磁铁材料的情况下，信息改写变得可靠，记录可靠性得到飞跃性的提高(图1右)。 但是，这一理论的实证，即具有磁铁材料布线的新结构元件的制作和记录技术的原理实证，至今尚未见报道。 研究的内容 此次产总研制作了磁铁材料配线的面内电流型磁存储器，作为上述原理实证，致力于信息记录的实证。 在此前使用非磁性材料的布线的面内电流型磁存储器中，用于信息改写的自旋被注入记录层时，自旋的方向被固定在横向，因此磁化如图1 (左)所示在横向停止。 为了正确地改写记录信息，磁化方向必须与记录层平面垂直(图中为上方向或下方向)，当在横向停止时，会成为不完全的记录(错误)。 另一方面，在产综研等提出的磁铁材料布线的面内电流型磁存储器中，用于信息改写的自旋被注入记录层时，自旋的方向具有横向以外的成分，因此记录层的磁化方向完全达到上或下，从而导致可靠的信息改写。 之所以能够实现这样非横向的自旋方向，是因为磁铁材料具有异常霍尔效应这一物理特性。 这样，通过利用异常霍尔效应，可以消除此前作为面内电流型磁存储器弱点的自旋注入引起的信息写入的不完全性，能够提高可靠性。 以上是产总研等人从2014年开始理论提出的新技术的概要。 为了这次的原理实验，制作了图2 (左)所示结构的元件。 下部配线的磁铁材料使用钴铁合金，相当于磁存储器记录层的上部磁铁使用镍铁合金。 另外，为了去除两个磁铁的磁性结合，制作了在其间夹有电阻小的铜的3层薄膜。 从外部向薄膜施加磁场时，镍铁合金和钴铁合金的磁化将指向该外部磁场的方向。 在该状态下，当薄膜中流过交流电流时，会产生交流磁场，记录层(镍合金)的磁化开始跟随交流磁场振动。 于是，由于磁阻效应，元件的左端和右端之间出现了直流电压信号。 该电压信号与外部磁场的关系如图2 (右)所示。 特别是当交流电流的频率和外部磁场的大小满足共振现象的条件时，电压信号会变大。
图2此次制作的元件的示意图(左)和电压信号的示例(右)
在施加交流磁场使记录层(镍合金)振动的状态下，当直流电流流过布线(钴铁合金)时，自旋将从布线经过磁耦合分离层(铜)注入记录层。 此时，磁化振动的大小会发生变化，以与记录层的磁化注入的自旋方向一致。 在观测数据的上方，如图2 (右)所示，可以获得电压信号的幅度的变化。 由于该宽度的变化反映了注入的自旋量，因此可以通过电压信号宽度的变化来评价自旋的注入效率。 此次，通过电压信号宽度与电流外部磁场的关系测量得到，从布线向记录层注入自旋的效率约为15%。 这与以往使用非磁性材料的元件相比，效率也毫不逊色。 从2014年开始的产总研等人的理论提出，自旋注入效率很难预测，但通过该原理实证，首次明确了即使是从廉价的、以常见的铁为基础的布线，通过异常霍尔效应进行的自旋注入也是十分高效的。 另外，在图2 (右)中，电压信号宽度因直流电流而增加，但是当直流电流反向流动时信号宽度变窄。 这表示如果使直流电流的流向相反，注入的自旋的方向就会相反，也就是说，在该元件中磁化可以向上和向下反转。 这个性质是在磁存储器中应用所必须的。 这次，制作了使用钴铁合金磁铁材料作为面内电流型磁存储器的布线的新元件，并证实了利用异常霍尔效应的自旋注入。 该新元件显示出了与以往使用非磁性材料的布线的面内电流型磁存储器同等的、基于高自旋注入效率的信息写入性能。 另外，这次拥有磁铁材料布线的新结构，消除了以往非磁性材料布线弱点——改写信息的不完全性，具备了通过减少错误实现可靠性飞跃性提高的可能性。 从布线材料选择的观点来看，由于廉价且常见的铁(这次是钴铁)明显会带来高性能化，因此可以认为会对今后的面内电流型磁存储器的材料战略产生很大的影响。 今后的计划 今后将进行面向写入动作实证的磁化反转的研究。 也致力于为降低功耗而优化元件结构和材料。 另外，还致力于以高频振荡元件等新应用为目标的器件开发。 用语说明 ◆非易失性磁存储器 将磁铁薄膜用作存储元件的存储器。 以2块磁铁夹着绝缘膜的3层结构为基本元件。 利用磁阻效应记录并读取“0”、“1”的信息，即2个磁铁的磁化朝向同一方向时元件的电阻低，磁化朝向彼此相反的方向时电阻高。 即使将内存从电源上断开，磁化方向也不变，信息会被保存。 这种状态称为“磁存储器是非易失性的”。 返回参照源 ◆异常霍尔效应 电流流过磁铁时，会在与电流以及磁铁的磁化垂直的方向上产生电压。 这叫做异常霍尔效应。 异常一词用于与通常的霍尔效应(向非磁性金属施加磁场的同时流通电流时，电压在与电流和磁场正交的方向上出现的现象)进行区别。 异常霍尔效应是19世纪末发现的历史悠久的现象，但此次研究着眼于不仅由异常霍尔效应产生电压，还注入自旋。 返回参照源 ◆自旋注入、自旋注入效率 电子除了具有被称为电荷的特性之外，还具有作为小磁铁的特性。 这叫做自旋。 因此，如果金属中流过电流，不仅有电荷，还有自旋。 这叫做自旋流。 将这种自旋流注入某种材料称为自旋注入。 这次进行了利用异常霍尔效应的自旋注入。 另外，在下部配线中使用非磁性材料的以往的元件中的自旋注入被称为自旋霍尔效应，与异常霍尔效应有所区别。 在这次的研究中，承担钴铁合金中流过的电流的电子中有几个通过异常霍尔效应被注入到镍铁合金中。 自旋注入效率是指通过钴铁合金中流动的电流和异常霍尔效应注入的自旋流之比。 例如，在图3 (右)中，电流从左向右流动时，4个电子从右向左移动(电流的方向和电子的流向相反)。 这4个电子中，有3个是笔直前进的，但有1个被注入了上部的材料。 在这种情况下，自旋注入效率为(1/4)×100 = 25%。 在此次研究中，根据流过钴铁合金的直流电流变化时的电压信号宽度的变化率来评价自旋注入效率。 返回参照源  图3自旋和自旋注入的概念图 ◆垂直电流型、面内电流型 如图1所示，将多块厚度为1纳米(百万分之一毫米)左右的磁铁重叠而成的结构称为层叠膜。 使电流在与层叠膜的膜面垂直的方向(图1的纵向)上流动而工作的器件被称为垂直电流型磁存储器。 另一方面，将在横向(与膜面平行)流过电流进行动作的器件称为面内电流型磁存储器。 历史上，20世纪80年代末首先在面内电流型器件上进行研究，但得知垂直电流型器件可以获得大的信号，研究的主流转向垂直电流型。 但是，由于垂直电流型元件向包括隧道势垒层在内的记录部分施加电压，因此还留有发生通电破坏等需要克服的课题。 返回参照源 ◆磁性结合 如果将镍铁合金直接放在钴铁合金上，两块磁铁相接的面就会磁化结合，发生一起运动。 这是因为通过磁铁内部的电子，2个磁化方向一致或反向的相互作用发生的缘故。 如果产生这样的结合，在观测镍铁合金的共振时，钴铁合金的磁化也会振动，观测结果变得复杂。 这次通过夹铜消除了这种结合，可以更明确地观测到自旋注入的现象。 返回参照源 ◆磁阻效应 磁铁的电阻依赖于磁化方向的现象，有几种。 例如，作为一个磁铁的电阻随磁化方向和电流流动方向的相对角度而变化的磁阻效应，有被称为异常霍尔效应、各向异性磁阻效应的现象。 在这次的元件中，可以利用该各向异性磁阻效应得到电压信号。 除此之外，在2个以上的磁铁重叠的多层结构中，还具有一方磁铁的磁化方向与另一方磁铁的磁化方向平行时和反平行时电阻发生变化的磁阻效应。 作为该多层结构的磁阻效应，已知有巨磁阻效应和隧道磁阻效应等现象，由于电阻变化率比一个磁铁时的异常霍尔效应、各向异性磁阻效应高，因此被应用于传感器和存储器的应用中。 返回参照源 ◆共鸣现象 对钟摆施加具有特定振动频率的力的话，即使力很弱也会发生很大的振动。 这被称为共振现象。 磁铁的情况下也观测到同样的现象。 向磁铁照射交流磁场时，磁化会按照磁场的方向振动。 此时，交流磁场的振动频率达到某个特定的值时，即使是弱磁场，磁化方向也会大幅振动。 振动的频率是典型的材料千兆赫(每秒振动10亿次)。 交流磁场像这次实验一样由交流电流产生。 根据实验不同，除了交流磁场以外，有时还会施加直流磁场(外部磁场)。 在这种情况下，引起共振的振动频率根据外部磁场而变化。 使用外部磁场的理由是，在探索共振现象时，改变外部磁场的大小比改变交流磁场的振动频率在实验上更容易等。 返回参照源 图1 (a )现有面内电流型元件和( b )此次提出的新结构的比较 - -由于自旋转换效率的大幅提高，适用于非易失性磁存储器的途径- |
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