mile米乐m6(中国)官方网站v 成功用电压控制电子自旋共振运动

　JST 作为完成该任务的基础研究的一部分，米乐m6官方网站（原大阪大学工程科学研究科）的野崎隆之研究员与大阪大学工程科学研究生院铃木义重教授领导的研究小组合作，使用超薄膜磁体电子自旋^注1)的共振运动（磁）用电压而不是电流，并开发了一种技术，该技术将成为超低功耗设备（电子元件）的基础。

　一种利用自旋（电子的磁性）的新型信息处理技术。自旋电子学^注2)''有望成为低功耗、环保的绿色IT最有前途的候选者。自旋具有共振的特性，可以用很小的输入有效地引起很大的运动，就像在适当的时候给钟摆施加一个力，即使施加相同的力，它也会剧烈摆动。近年来，人们对利用该共振运动的高效率的磁记录和磁存储器的期望不断提高，共振运动作为高效利用自旋的关键而受到关注。

然而，到目前为止，自旋都是通过电流或磁场控制来进行信息处理，焦耳热^注3))导致的能量损失一直是实现超低功耗的障碍。为了从根本上解决这个问题，人们强烈希望开发一种利用电压控制自旋共振运动的方法。

　该研究小组通过将铁钴合金（一种常见的磁性材料）超薄至几个原子的厚度，并通过绝缘体对其施加高频电压，成功地诱导了共振自旋运动。这是世界上首次控制磁性材料中的自旋共振运动，我们也证实，与传统的电流驱动系统相比，该技术可以将功耗降低到1/200以下。

　此次开发的技术首次采用纳米制造技术，将已在应用中使用的材料薄化至几个原子层，有望应用于磁存储器、磁记录等多种自旋器件，以及目前正在开发的利用自旋的低损耗信息传输和逻辑元件，有望大幅促进低功耗、高密度化。

　这项研究成果将于2012年4月29日（英国时间）发表在英国科学杂志《自然物理学》网络版上。

　为了实现“绿色IT”这一节能环保的信息技术，需要开发低待机和驱动功率的纳米电子器件技术。一个例子是自旋电子学，其目的是利用自旋（电子的磁性）来开发新功能。利用磁体的非易失性，即使在不供电的情况下也能保留存储器，几乎不需要待机电源的磁存储器的开发正在进行中。例如，它由一种结构组成，其中非常薄的绝缘体夹在磁铁之间隧道磁阻元件^注4))作为一种即使断电也不会丢失信息且待机功耗为零的低功耗存储元件已进入实际应用阶段。

　自旋电子学的重要基础技术之一是铁磁共振，它是利用共振现象的自旋集体运动。就像摆动钟摆一样，如果时机把握得当（共振），它可以用相同的力强烈摆动，因此通过应用调谐到独特频率的输入，可以用少量能量以高效的方式控制磁铁内部的旋转。到目前为止，这种共振现象经常被用作阐明基础物理的手段和评估磁性材料特性的方法。最近，利用其高效率的优势，正在考虑将其用于磁记录和磁存储器的自旋反转辅助技术以及低损耗信息传输和逻辑元件中。旋转波^注5)是啊纯自旋流^注6)的技术，它变得越来越重要，并且有可能为新的自旋器件铺平道路。

10628_10695旋转扭矩^注7)等来控制共振运动，但由于两者都需要极大的电流，因此会发生焦耳热引起的能量消耗（电阻损失），从而难以控制功耗。

　为了从根本上解决这个问题，长期以来人们一直希望利用电压而不是磁场或电流来控制自旋状态（方向、运动等）作为一种理想的低功耗技术。到目前为止，人们已经尝试在结合了压电元件和将电能转换为压力的磁体的装置中使用机械应变的方法，以及使用结合磁和电特性的材料（例如磁性半导体和多铁性材料）的方法。 ，（2）可应用于固态器件，（3）具有高耐用性，允许重复信息写入，（4）可输入高频信号，（5）可轻松与输出信息的结构（如隧道磁阻元件）集成。

　近年来，我们的研究小组发现，在铁这种非常常见的金属磁体材料中，自旋定向到特定方向的难易程度（磁各向异性）可以通过电压来控制（参考文献1）。通常情况下，即使对金属材料施加电压，由于其含有大量电子，该效应也会被阻挡，但通过将铁膜超薄至几个原子层，该效应可以变得更加明显。此外，该技术随后被用来成功控制双向自旋反转（见注释4）（参考文献2）。最后剩下的基础技术是开发一种控制上述共振运动的方法。

　陀螺在旋转轴倾斜的情况下旋转的运动称为进动或振荡，是一种可以近距离观察到的物理现象（见图2（a））。这样，当力（陀螺的情况下为重力）作用于旋转体（具有角动量）以改变旋转轴时，该力的作用是使旋转轴沿与该力垂直的方向移动（陀螺效应）。

　由于自旋是角动量（参见注1、图1），因此当从外部施加静磁场时，它会进动，类似于陀螺。然而，正如陀螺最终会因与地板的摩擦而倒下一样，自旋最终也会因各种摩擦的影响而停止沿磁场方向移动。因此，通过施加与自旋共振频率相同频率变化的、与静磁场正交的高频磁场，可以通过接收能量来维持稳定且高效的自旋进动（见图2（b））。就磁铁而言，它所包含的许多自旋共同进动和移动，这种现象称为铁磁共振。

　上面的例子是由磁场引起的共振，但直到现在还不知道如何使用电压来控制这种运动。到目前为止，众所周知，在铁等常见金属磁体中，电压和自旋之间不会发生相互作用。然而，最近发现，通过将磁体超薄至几个原子层并通过绝缘层施加电压，电子轨道占据状态由界面处积累的电子调制，从而可以控制自旋趋于定向的方向（磁各向异性）。改变自旋方向具有明显等同于施加外部磁场（有效磁场）的效果。

　在本研究中，我们将与超薄膜磁体自旋共振频率相匹配的高频电压施加到由超薄膜磁体/绝缘层/对电极组成的堆叠结构（如图3所示），并研究是否会发生共振运动。具体来说，我们使用铁钴合金 (FeCo) 作为超薄膜磁体、氧化镁 (MgO) 作为绝缘层、铁 (Fe) 作为对电极的磁体材料，创建了铁磁隧道结元件（图 4）。放置在 FeCo 层底部的金（Au）用于使 FeCo 层的自旋更容易沿垂直于薄膜表面的方向取向。通过将 MgO 薄膜设计得相对较厚，我们设计了一种方法来确保几乎没有电流流过。当高频信号振荡器向该元件施加高频电压时，周期性有效磁场会沿垂直于薄膜表面的方向作用于超薄 FeCo 层的自旋。结果，我们成功地引发了围绕外部施加的静态磁场旋转的共振运动（图 4）。

图 5 是观察到的共振信号的示例。还证实了共振发生的频率会根据外部磁场强度而变化，并且这种行为与理论预测非常吻合（图 5 插图）。

　这是世界上第一次可以通过电压控制自旋的共振运动，而不受磁体材料类型（金属、氧化物、半导体等）或实验温度的影响。此外，极其重要的是，通过简单地使用超薄膜的纳米制造技术，我们已经成功地利用已经在硬盘磁头和磁存储器等应用中使用的典型材料和结构演示了这种方法，我们希望这种方法能够迅速发展到应用设备中。

　与研究中使用的其他技术（电流磁场型、自旋扭矩型）相比，电流磁场型使用通过外部布线产生电流而产生的磁场，因此磁场在空间上扩散，因此难以将磁场集中并施加到纳米级的微小元件。此外，由于自旋和磁场之间的相互作用是间接的，因此大部分用于产生磁场的能量被浪费，导致极高的功耗。在自旋扭矩型的情况下，向元件施加直流电流以引起自旋和电荷之间的直接相互作用，因此可以通过集中在单个元件上来控制共振运动，其效率比电流-磁场型高。然而，只要使用电流，就无法避免焦耳热造成的能量损失。另一方面，已证实本研究中开发的电压类型允许访问单个元件，并且与旋转扭矩类型相比，功耗降低了约 1/200（图 6）。

　通过使用本工作中开发的基于电压的谐振运动控制方法，可以以低功耗控制微磁体的自旋运动。这项技术是通过纳米制造技术实现的，该技术允许将磁体制成低至几个原子层的超薄膜，重要的是可以按原样应用迄今为止已使用的材料和结构。

　在当今的硬盘中，随着磁记录密度的增加（记录位变得更小），正在使用具有大磁各向异性的磁性材料。这是防止信息因热能而丢失的必要措施，但它也需要很大的磁场来写入信息，所以已经到了没有外部能量辅助就无法控制的地步。克服这一问题的一种方法是从外部施加高频磁场引起共振运动并降低自旋反转（微波辅助磁化反转）所需的磁场，但目前的电流控制需要极大的写入能量。如果能够将本次演示的使用高频电压的谐振控制引入到磁记录写入过程中，理论上可以提供超低功耗的辅助方法，并且有望有助于记录密度的进一步提高。类似的原理可以应用于磁存储器件，并且通过共振运动降低特定器件中自旋反转所需的能量，可以选择性地以低能量写入信息。

另一方面，作为最近的新发展，已经提出了利用自旋涨落(自旋波)和自旋角动量(纯自旋电流)的流的信息传输以及利用它们的逻辑运算元件。这些技术的优点是不涉及电荷流动，因此可以实现低损耗传输，不会因焦耳热而造成损耗。然而，目前需要电流来产生这些流动，并且需要大量能量来产生信号，这对应用的开发是一个缺点。本研究开发的基于电压的自旋共振控制即使在纳米尺度区域也能以低功耗产生这些信号，有望极大地促进新型自旋器件的低功耗化。

　正如从电流驱动双极晶体管到电压驱动 CMOS 的转变在半导体领域带来了重大创新一样，使用电压的自旋控制有望成为将自旋纳米电子学推向真正绿色 IT 的重要基础技术。

　今后，我们将考虑应用于实际设备，并旨在通过探索自旋方向随电压高灵敏度变化的磁体材料和绝缘层材料，进一步降低电压驱动。

图1 自旋角动量与磁矩的关系

旋转有两种状态：向上和向下。由于这种自旋角动量，电子可以被认为是小型永磁体。磁体的磁矩（定义为从南极到北极的矢量）是由该自旋产生的，但由于自旋是角动量，因此其方向相反。单位体积的磁矩称为磁化强度，代表磁铁的强度。

图2 彗差和自旋进动

　(a) 陀螺进动的图像图。这是由于陀螺效应，旋转轴绕垂直轴旋转的现象。
(b) 自旋进动图像图。 （这里，为了便于直观理解，与自旋相反的磁化方向（从S极到N极的方向）用红色箭头表示（见注1））。当在静磁场下施加与自旋共振频率相同频率的高频磁场时，高频磁场的能量被有效吸收，从而由于共振而产生稳定的进动。

图3电压控制自旋共振运动概念图

　在由超薄膜磁体/绝缘层/对电极组成的结结构中，当在超薄膜磁体和对电极之间施加高频电压时，超薄膜磁体的自旋周期性地感应有效磁场的波动（黄色箭头）。因此，通过施加与自旋的共振频率相同频率的高频电压，可以在静磁场下感应由于共振而产生的有效进动。

图4实验及测量电路所用元件示意图

　根据图3中解释的原理，当使用高频信号振荡器向隧道结元件施加高频电压时，超薄FeCo层的自旋（磁化如上图中的箭头所示）会引起共振运动。直流电压是由磁阻效应引起的元件电阻的时间波动和流过元件的少量隧道电流产生的，因此通过测量元件上产生的直流电压，可以将共振运动检测为电信号。

图5 使用电压检测谐振运动控制的示例

本研究中观察到的共振信号示例。在不同强度的磁场下观察到特定频率的分布信号，证实引起了共振运动。插图显示了共振频率对外部磁场强度依赖性的实验数据（黑点）和理论预测（红线）。

*功耗为横截面积 100 x 100 nm２中引起偏转角1度的共振运动所需的能量。微型磁铁。 图6使用电流（当前磁场和自旋扭矩）和电压进行共振运动控制的元件比例和功耗对照表

由于使用电流磁场的控制方法使用布线周围产生的磁场，因此很难将磁场集中在单个元件上并且消耗大量功率。在自旋扭矩类型的情况下，它可以通过直流电流感应到元件，从而更容易访问单个元件，并且比电流磁场消耗更少的功率，但是由于焦耳热而导致的能量损失是不可避免的。此次开发的基于电压的控制可以说是同时满足单个元件的可访问性和低功耗的理想方法。

该成果是与大阪大学工学研究科铃木义茂教授等人共同研究得出的，实验主要在大阪大学进行。

“超薄铁磁金属层中的电场感应铁磁共振激发”
（超薄铁磁金属层中的电场铁磁共振激发）

＜参考论文1＞
“铁的几个原子层中电压引起的大磁各向异性变化”
（Fe的几个原子层中电压引起的巨大磁各向异性变化）
T。丸山、Y盐田、T野崎等人自然纳米技术4, 158 (2009).
相关材料http://wwwsuzukiylabmpesosaka-uacjp/Top/090116presspdf(PDF:319KB)

＜参考论文2＞
“利用电压脉冲在 FeCo 的几个原子层中感应相干磁化强度翻转”
（脉冲电压在 FeCo 的几个原子层中引起相干磁化反转）
Y。盐田，T野崎等人自然材料11, 39 (2012).

参考图：隧道磁阻元件示意图。其特征在于，电阻值根据放置在绝缘体上方和下方的磁体的自旋是否平行或反平行而不同。

◆注1)旋转

它是表达电子角动量的内部自由度之一，它被称为自旋（角动量），因为它在历史上被解释为旋转运动。旋转有两种状态：向上和向下。由于这种自旋角动量，电子可以被认为是小型永磁体。通过排列这些自旋而形成永磁体，并通过控制该排列来执行磁记录。[返回来源]

◆注2)自旋电子学

在使用半导体的传统电子器件中，仅利用电子的“电荷”特性开发了各种器件，例如二极管和晶体管。自旋电子学的目标是通过在电子学中引入电荷和自旋（见注1）（电子的磁性），从而创造出具有传统技术无法实现的功能的新器件。[返回来源]

◆注3)焦耳热

电流流经电阻器时产生的热量。有一些电器，例如积极利用焦耳热的加热器，但这会带来一个问题，因为输入电子设备的能量会以热量的形式损失掉，而这对于其最初的目的来说是无用的。[返回来源]

◆注4)隧道磁阻元件

它是由磁体/绝缘体/磁体组成的结结构，每个膜厚约为几纳米，当在元件上施加电压时，由于量子力学效应，微小的隧道电流流过绝缘体。隧道电流流动的难易程度取决于两侧磁体自旋的相对角度（隧道磁阻效应）；一般来说，当自旋平行时电阻较低，而当自旋反平行时电阻较高。这种现象用于硬盘驱动器磁头和磁存储元件。在磁存储器中，通过将上下磁体的自旋平行或反平行的状态与数字信息“0”和“1”相关联来处理信息。因此，通过外部输入（磁场、自旋扭矩、电压等）仅反转一个磁体的自旋方向来写入信息（双向自旋反转控制：见下图）。[返回来源]

◆注5)自旋波

这是一种自旋进动在磁体内以相移传播的现象，源于磁体内自旋之间的交换相互作用或磁偶极子相互作用。人们正在考虑将其用于新设备，例如无需电荷转移的信息传输以及利用相位（波的特性）的逻辑运算。[返回来源]

◆注6) 纯自旋电流

这是一种只有自旋角动量流动而没有电荷流动的现象，是由相同数量的向上自旋和向下自旋以相反方向流动引起的。由于它不涉及电荷的移动，因此有望实现低损耗的信息传输，而不会因焦耳热而耗散能量。[返回来源]

◆注7)旋转扭矩

当电流施加到结结构（例如隧道结器件）时，传导电子流入一个磁体，同时保留另一个磁体的自旋信息（自旋注入）。传入的自旋与另一个磁体中的自旋相互作用以施加力（扭矩），这种现象可用于控制自旋反转和激发进动。[返回来源]