発表者

佐々木　総一郎（鈴木・草部研）

指導教官

草部　浩一

Title

Observation of the Spin Hall effect in semiconductor devices

Abstract

Spin-electronics is one of the fields being paid attention to now. It is new semiconductor-electronics in which we can manipulate electrons by using two characters, charge and spin. There are many possible spin-electronic devices to realize new functions. Their applications include the GMR (Giant Magneto Resistive) head that uses the GMR device, MRAM (Magnetic Random Access Memory) to which the TMR (Tunnel Magnetic Resistance) device is applied, spin-FET that uses spin injection from a ferromagnet, etc.
In these devices, spin injection is usually realized using ferromagnets. The spin-Hall effect may be another possibility and we can substitute the effect for ferromagnets. Spin current flows in the direction perpendicular to the direction of charge current when the voltage is applied to two-dimensional electron gas (2DEG) in a semiconductor device, and spin accumulation is caused at two edges of 2DEG as a result. This is called the spin-Hall effect.
The experiment I'll introduce succeeded in observation of the spin-Hall effect that was predicted theoretically [1]. Spin accumulation is observed with a Kerr rotation microscope. There are two origins of spin-Hall effect, extrinsic spin-Hall effect and intrinsic spin-Hall effect. This experiment shows domination in the extrinsic spin-Hall effect.
[1] Y.K. Kato, et al., Science 306 (2004) 1910.

概要

現在注目されている分野のひとつであるスピン−エレクトロニクスは、電子のもつ2つの性質（電荷とスピン）を用いて電子を制御する新たな半導体エレクトロニクスである。 スピンを取り入れることによって、新機能を実現できる可能性が高い。 例として、巨大磁気抵抗（GMR）素子を利用したGMRヘッド、トンネル磁気抵抗（TMR）素子を利用したMRAM、強磁性体からのスピン注入を利用したスピンFET等が挙げられる。
これらの素子においては、スピン注入を通常強磁性体を使用して実現している。 今回紹介するスピンホール効果は、強磁性体にとって代わる素子の原理になりうる可能性がある。 半導体素子で作られる2次元電子ガスに電圧を印加すると電流方向と直角の方向にスピン電流が流れ、結果として2次元電子ガスの端にスピン分布が生じる。 これをスピンホール効果という。
紹介する論文では、理論的に予測はされていたスピンホール効果の観測に成功している。 実験ではスピン分布をカー回転顕微鏡を使って観測している。 スピンホール効果の起源には、Intrinsicスピンホール効果、Extrinsicスピンホール効果の2つがある。 この論文の実験は、Extrinsicスピンホール効果の優位性を示している。