BiSb トポロジカル絶縁体を用いる超高性能純スピン流源

摘要

近年トポロジカル絶縁体における巨大なスピンホール効果が報告されている。これらの材料では1 を超えるスピンホール角が示されており純スピン注入源として用いることでスピン軌道トルク磁気抵抗メモリ(SOT-MRAM)における低電流かつ高速な磁化反転技術が期待できる。しかし、Bi2Se3 や(Bi,Se)2Te3 トポロジカル絶縁体は電気伝導率が10~3～10~4 Ω~(-1)m~（-1） 台と低いため、MRAMへ適用しづらい。本研究では、キャリア移動度が高いかつ表面状態が多いBi1-xSbx 合金を用いることで高い電気伝導率と巨大なスピンホール角が両立できることを実証した。我々は分子線エピタキシ－結晶成長技術を用いて、様々な組成のBi1-xSbx(001)薄膜のGaAs(111)A 基板上へのエピタキシャル成長を行い、Bi1-xSbx 薄膜の伝導率は10~5～10~6 Ω~(-1)m~(-1) 台と他のトポロジカル絶縁体よりも1~2桁高いことを確認した[3]。また、伝導率の温度依存性の測定から90 nm 程度以下のサンプルにおいて量子サイズ効果によりバンドギャップが増大し、少なくてもx～0.4 までに金属的な表面と絶縁的なバルクを持つことが分かった。さらにBi0.9Sb0.1(012)面/MnGa 垂直直磁性膜の接合において、Bi_(0.9)Sb_(0.1)(012)面のスピン軌道トルクを評価したところ、室温において超強大なスピンホール角θSH～52 を観測した。図１に示すように、BiSb/MnGa の接合において、従来よりも1 桁～2 桁少ない超低電流密度でMnGa のスピン軌道トルクによる磁化反転を実証した[4]。また、超強大なスピンホール角の起源を探るために、50 nm の絶縁的な Bi0.4Sb0.6(001)薄膜および半金属的なBi_(0.2)Sb_(0.8)(001) 薄膜/MnAs 面内磁性膜の接合において、面内磁化回転法を用いてスピンホール効果を評価した。その結果、絶縁的なBi0.4Sb0.6(001)膜は室温ではθSH～38、低温ではθSH～450-530 が得られたことに対して、半金属的なBi0.2Sb0.8(001)膜は低温でもθSH～-4.4 と小さい負の値しか示さなかった[5]。これらの結果はBiSb における超強大なスピンホール角の起源がトポロジカル表面状態のベリー位相に起因することを強く示唆している[5]。当日に、BiSb を用いる超高性能純スピン注入源の実用化に向けた我々の取り込みについて紹介する。