[論文レビュー] Information Processing with Pure Spin Currents in Silicon: Spin Injection, Extraction, Manipulation and Detection

O.M.J. van ‘t Erve, C. Awo-Affouda+4 more|ArXiv.org|Jun 30, 2009

Quantum and electron transport phenomena参考文献 26被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、Fe/Al2O3トンネル障壁接触を用いて、電荷輸送とは分離された純粋なスピン電流を用いたシリコン内での情報処理を実証している。これにより、ネット電荷の流れを伴わないスピン注入、操作、検出が可能となる。主な結果として、バイアス極性によるスピン配向の電気的制御、垂直磁場下におけるスピンプロセッションが得られ、デバイス出力は非揮発性GMRスピンバルブの動作と一致している。

ABSTRACT

We demonstrate that information can be transmitted and processed with pure spin currents in silicon. Fe/Al2O3 tunnel barrier contacts are used to produce significant electron spin polarization in the silicon, generating a spin current which flows outside of the charge current path. The spin orientation of this pure spin current is controlled in one of three ways: (a) by switching the magnetization of the Fe contact, (b) by changing the polarity of the bias on the Fe/Al2O3 (injector) contact, which enables the generation of either majority or minority spin populations in the Si, providing a way to electrically manipulate the injected spin orientation without changing the magnetization of the contact itself, and (c) by inducing spin precession through application of a small perpendicular magnetic field. Spin polarization by electrical extraction is as effective as that achieved by the more common electrical spin injection. The output characteristics of a planar silicon three terminal device are very similar to those of non-volatile giant magnetoresistance metal spin-valve structures

研究の動機と目的

• 純粋なスピン電流を用いて、電荷輸送とは分離されたシリコン内での情報伝送および処理を実現すること。
• 注入器接触の磁化を変更せずに、シリコン内でのスピン配向を電気的に制御する方法を開発すること。
• 平面型三端子シリコンデバイスを用いて、効果的なスピン注入および抽出を実証すること。
• 純粋なスピン電流デバイスが、非揮発性ギャンブ・マグネトレジスタンス（GMR）スピンバルブ構造の出力特性を再現できることを検証すること。
• 外部磁場およびバイアス制御を用いて、スピンプロセッションおよびスピン極化の電気的操作を探索すること。

提案手法

• Fe/Al2O3トンネル障壁接触をシリコン内に用い、スピン注入器および検出器として機能させ、純粋なスピン電流を生成および検出する。
• 注入器接触に電気的バイアスを逆転させることで、多数スピンおよび少数スピンの両方を注入可能にし、磁化スイッチングとは独立したスピン配向の電気的制御を実現する。
• 小さな垂直磁場を印加してシリコンチャネル内のスピンプロセッションを誘発し、スピン状態の動的制御を可能にする。
• 電気的抽出によりスピン極化を測定し、従来の電気的スピン注入法と同等の性能を達成する。
• スピン注入および検出条件の変化に応じた出力特性を評価するため、平面型三端子シリコンデバイスを特性評価する。
• 非揮発性GMR金属スピンバルブ構造の応答と比較することで、機能性および性能の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 純粋なスピン電流を用いて、ネット電荷の流れを伴わない状態で、シリコン内での情報伝送および処理が可能か？
• RQ2 Fe/Al2O3注入器のバイアス極性を変化させることで、磁化スイッチングとは独立して、シリコン内でのスピン配向を電気的に制御できるか？
• RQ3 垂直磁場下におけるスピンプロセッションが、シリコン内でのスピン状態の動的制御にどの程度有効か？
• RQ4 従来の電気的スピン注入法と比較して、シリコン内での電気的スピン抽出はどの程度効果的か？
• RQ5 純粋なスピン電流動作を示す平面型シリコン三端子デバイスは、非揮発性GMRスピンバルブ構造の出力特性を再現できるか？

主な発見

• Fe/Al2O3トンネル障壁接触を用いて、シリコン内に純粋なスピン電流を効果的に注入および検出でき、ネット電荷輸送を伴わない情報処理が可能である。
• 注入器接触のバイアス極性を切り替えることで、スピン配向の電気的制御が達成され、接触の磁化を変更せずに多数スピンまたは少数スピンの両方を注入可能となる。
• 小さな垂直磁場を印加することで、シリコンチャネル内でスピンプロセッションが誘発され、スピン状態の動的制御が可能となる。
• 電気的スピン抽出により、従来の電気的スピン注入法で得られるスピン極化レベルと同等の性能が達成された。
• 平面型シリコン三端子デバイスの出力特性は、非揮発性ギャンブ・マグネトレジスタンス（GMR）スピンバルブ構造と非常に類似しており、スピントロニクス応用への可能性が裏付けられた。
• 本デバイスは、さまざまなバイアスおよび磁場条件においても安定した動作を示し、シリコン内での純粋なスピン電流に基づく情報処理の実現可能性が確認された。