[論文レビュー] Spin Dependent Transport in Magnetic Nanostructures

S. Maekawa|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2003

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、強磁性ナノ構造におけるスピン依存輸送をレビューし、非磁性金属、半導体、超伝導体へのスピン注入によって誘発されるスピン蓄積およびスピン電流に焦点を当てる。超伝導接合におけるスピン-電荷分離が、バイアス電圧によって調整可能なトンネル磁気抵抗（TMR）および臨界電流の変調を可能にすると提言する。主な結果として、スピン蓄積がナノスケール超伝導体/強磁性体デバイスにおける超伝導性の抑制と、TMRの振動的変化を引き起こすことが示されている。

ABSTRACT

Recent progress in physics on spin dependent transport in magnetic nanostructures is reviewed. Special attention is paid on the spin accumulation and spin current caused by spin injection into non-magnetic metals and semiconductors and superconductors. A variety of phenomena induced in nano-superconductor/ferromagnet devices are proposed, examining the spin-charge separation in superconductors.

研究の動機と目的

• 強磁性電極からのスピン注入によって、非磁性物質におけるスピン蓄積およびスピン電流の生成を調査すること。
• ナノスケール超伝導体/強磁性体ヘテロ構造におけるスピン蓄積と超伝導性の相乗作用を調査すること。
• トンネル輸送および異常ホール効果を通じて、超伝導体におけるスピン-電荷分離の役割を検討すること。
• 二重トンネル接合や三端子構造などのデバイス構成を提案し、スピン電流およびスピン蓄積の検出を可能にすること。
• バイアス電圧がスピン蓄積によって超伝導性を抑制し、臨界電流を変調できることを示し、超伝導デバイスにおけるスピントロニクス制御の道筋を提示すること。

提案手法

• 二つの強磁性電極と中央の非磁性または超伝導性島を有する二重トンネル接合デバイスを分析し、抵抗がそれぞれR1およびR2のトンネル障壁を用いる。
• 強磁性体の磁化が反平行にある場合、中央島におけるスピン不均衡を用いてスピン蓄積をモデル化し、スピンアップとスピンダウン電子密度の差による純磁化が生じることを示す。
• トンネル磁気抵抗（TMR）の式 TMR = P²/(1 - P²) を用いて、常温状態のデバイスにおけるスピン蓄積効果を定量的に評価する。超伝導状態では、電圧依存のギャップ抑制によりTMRが振動的になる。
• 超伝導臨界電流の抑制とスピン蓄積に起因する超伝導ギャップΔの減少の関係を Jc ∝ Δ³ で結びつける。
• 三端子スピン注入デバイスにおいて、強磁性/常磁性/強磁性三層構造を用い、磁化配置に依存する電圧差を介してスピン蓄積を検出する。
• スピン偏極電流輸送における異常ホール効果を検討し、ホール電圧がスピン電流に比例することを示し、この効果が電荷電流の散乱ではなくスピン電流に起因することを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非磁性金属や半導体へのスピン注入が、測定可能なスピン蓄積および関連する磁気抵抗をどのように引き起こすか？
• RQ2 ナノスケール超伝導体/強磁性体接合におけるスピン蓄積が、超伝導ギャップに及ぼす影響は何か？
• RQ3 スピン蓄積によって超伝導接合の臨界電流を変調できるか？その依存関係はバイアス電圧およびスピン偏極にどのように依存するか？
• RQ4 強磁性系における異常ホール効果が、電荷電流の散乱ではなくスピン電流に起因する程度はどの程度か？
• RQ5 超伝導体におけるスピン-電荷分離が、トンネル電導度やホール電圧といった輸送特性にどのように現れるか？

主な発見

• 磁化が反平行である二つの強磁性電極の間にある非磁性島におけるスピン蓄積は、純磁化を生じさせ、標準的な強磁性トンネル接合の半分の値である P²/(1 - P²) の測定可能なトンネル磁気抵抗（TMR）を示す。
• 超伝導接合では、バイアス電圧が eV/2 ∼ Δ/P を超えると、スピン蓄積が超伝導ギャップΔを抑制し、臨界電流 Jc ∝ Δ³ が低下する。
• 超伝導二重トンネル接合におけるトンネル磁気抵抗（TMR）は、電圧依存のギャップ抑制によりバイアス電圧に応じて振動的になる。
• 超伝導系における異常ホール効果は、スピン電流に起因することが示された。コープャール対（電荷を運ぶ）は不純物に対して散乱しないが、準粒子（スピンを運ぶ）は散乱するためである。
• ガリウム砒素や超伝導体などの長いスピン拡산長を有する材料を用いた三端子スピン注入デバイスでは、キャリア密度が低いためスピン信号が強化され、スピン蓄積の検出がより良好に可能になる。
• 金/YBa2Cu3O7/LaAlO3/Nd2/3Sr1/3MnO3接合からの実験データは、注入電流の増加に伴い臨界電流が抑制されることを確認しており、特に第二の強磁性体のスピン偏極が低い場合に顕著である。