JST（主席：Noriki Okimura）和日本国立先进产业技术研究所（AIST，主席：Hiroyuki Yoshikawa）的研究小组开发了一种利用自旋注入磁共振的新模型二极管开发出“自旋扭矩二极管”。
目前，半导体二极管用于检测和整流电信号。然而，由于半导体的电阻值较高，因此存在随着半导体的小型化，电阻值无法与微波布线匹配、能量传输效率变差的问题。
研究小组在全球首次发现，当特定频率的微波施加到由金属和绝缘体制成的隧道磁阻元件时，会发生一种称为“自旋注入磁共振”的新现象，从而产生类似于半导体的检测和整流效果。基于该工作的自旋扭矩二极管器件在千兆赫微波区域表现出高效的选频二极管效应，而且超紧凑、低电阻、低成本，因此在原理上具有超越半导体二极管的潜力。
该成果是JST战略创意研究促进项目团队型研究（CREST型）的一部分“电子·光子的功能控制等”研究领域（研究导师：东洋大学校长菅野卓夫） 研究主题：“走进固体”自旋注入8577_8736自然''
近年来，“自旋电子学”作为电子学的新趋势而备受关注。电子同时具有电特性“电荷”和磁特性“自旋”。然而，到目前为止，在电子学领域，这些特性已分别在半导体工程和磁工程中分别得到利用。自旋电子学旨在通过同时利用这两种特性来获得新的功能和前所未有的特性。自旋电子学的历史可以追溯到1988年巨磁阻效应（GMR效应）的发现。众所周知，这种效应随后被用作磁硬盘（HDD）的读取头原理，推动了HDD更高密度的发展。 1995年，东北大学宫崎教授等人研制出在室温下表现出大磁阻效应的隧道磁阻元件，也就是今天的非易失性磁存储器（MRAM）磁阻随机存取存储器)的发展。此外，1998年，人们发现通过向GMR元件注入电流可以进行磁写入，从而提高了人们对实现超Gbit MRAM的期望。另一方面，2000年，美国康奈尔大学的一个小组发现GMR元件可以用作微波振荡元件，并有望将自旋电子学发展到一个新的领域。该成果在国际上首次证明了GMR和TMR元件可以用作微波探测元件，有望为自旋电子学的高频应用提供动力。
当前电信号检测/纠正使用半导体二极管来获得该效果。然而，由于半导体的电阻值较高，因此存在随着半导体的小型化，电阻值无法与微波布线匹配、能量传输效率变差的问题。
研究团队开发了一种由金属和绝缘体制成的隧道磁阻元件，可产生特定频率微波炉基于该工作的自旋扭矩二极管器件在千兆赫微波区域表现出高效的选频二极管效应，而且超紧凑、低电阻、低成本，因此在原理上具有超越半导体二极管的潜力。
(1)自旋注入磁共振的发现
由CoFeB电极/MgO隧道势垒/CoFeB电极组成的隧道磁阻元件被加工成横截面约为100 nm x 200 nm的柱状[图1（A）]。上面的CoFeB电极被称为自由层，因为它是一个磁体并且其磁极的方向可以旋转。另一方面，下层CoFeB层的磁极方向是固定的，因此称为固定层。磁阻元件当两个电极的磁极朝向相同方向时，电阻减小，当两个电极的磁极朝向相反方向时，电阻增大。这种效应用于电读取 MRAM 中的磁记录。
(A) 纳米柱鸟瞰图
|
(B) 纳米别墅俯视图
|
|
图1 自旋扭矩二极管结构图
|
顺便说一句，CoFeB电极是一块磁铁，而这种材料之所以是磁铁，是因为它内部的小磁铁的磁极，也就是电子的自旋，是排列在同一方向的（如果自旋方向受到干扰，磁极就会相互抵消，所以材料整体上不再表现出磁性）。电流从上到下或从下到上流过该元件。电流是电子的流动，并且由于电子是磁体，因此磁体从自由层流到被钉扎层，或者从被钉扎层流到自由层。这称为“自旋注入”。这种现象在日常生活中是看不到的，因为电子一旦离开像 CoFeB 这样的磁铁，磁极的方向就会被破坏。这是纳米世界特有的现象（1纳米是1毫米的百万分之一）。当电子磁体流入自由层时，它与现有电子之间会产生力。这种力称为“扭矩”。该力改变自由层磁极的方向。这是“自旋注入磁化反转''利用这一特性，可以用更少的功率进行磁写入，因此有望应用于下一代MRAM。
现在，当交流电（方向随时间交替变化的电流）通过该元件时，电流从自由层流向固定层，会产生图中A方向的扭矩，自由层和固定层的磁化趋于变得平行。另一方面，当电流从固定层流向自由层时，会产生图中B方向的扭矩，并且自由层和固定层的磁极趋于变得反平行。
顺便说一句，指南针指针指向北极，但它会绕北极方向摆动一段时间，直到不再指向北极。同样，自由层的磁极方向也具有以特定周期振动的特性。该频率通常位于用于移动电话等通信的微波频段。因此，方向以微波频率交替变化的交流电通过自由层。他们发现，当该频率与自由层的固有频率相匹配时，磁极的方向开始剧烈振荡。这是一种共振现象，所以“自旋注入”磁共振''
(2)自旋扭矩二极管效应的发现
图2给出了自旋注入磁共振发生时瞬时磁极方向与电流方向的关系。当电流从上流到下时，磁极对齐并且电阻很低。因此，电流流动时元件上不会出现大电压。另一方面，当电流从底部流向顶部时，元件的磁极朝向相反的方向，因此电阻增加。因此，在元件上施加大电压以引起电流流动。如上所述，发现当观察器件两端电压的时间平均值时，会生成负电压。这就是“自旋扭矩二极管效应”。利用这种效应，可以从微波获得直流电压。即，示出了校正和检测。如图。图3示出了实际测量的直流电压对所施加的交流电流的频率的依赖性。可以看出，仅在特定频率下才会发生谐振，并产生较大的电压。由于该元件具有频率选择性检测功能，因此有望成为抗噪声检测元件。
(A) 当电流从上到下流动时，磁化强度变为平行，电阻减小。
结果，输出电压为正且较小。
|
 (B) 当没有电流流动时，磁化指向垂直方向。
|
(C) 当电流从底部流向顶部时，磁化强度变为反平行，电阻增加。
结果，输出电压为负且很大。
|
|
图2 自旋扭矩二极管效应原理图
|
|
|
|
图 3 自旋扭矩二极管效应示例 当施加满足谐振条件的频率的交流电时，会产生直流电压。 |
(3) 与半导体二极管的比较
该器件的输出随着磁阻效应的增加和自旋注入磁化反转所需的电压的降低而增加。 AIST、IBM和佳能ANELVA已经发现，通过在隧道势垒层中使用MgO（氧化镁）可以获得大的磁阻效应，并且该元素可以提供大的输出。另一方面，普通半导体二极管的输出由温度决定。因此，如果将自旋注入磁化反转所需的电压降低至25mV以下（相当于室温下的热能），则自旋扭矩二极管的输出可能会超过半导体二极管的输出。目前，自旋注入磁化反转所需的电压在1000mV左右，因此输出不如半导体二极管。然而，如果未来自旋注入技术取得进步，该器件很有可能超越半导体。此外，自旋扭矩二极管在小型化和制造成本方面具有优势。
通过降低自旋注入磁化反转所需的临界电压来提高效率。此外，通过振荡元件的开发，我们将扩大自旋电子学的微波应用。