WO2014024697A1

WO2014024697A1 - スピンモータ及びスピン回転部材

Info

Publication number: WO2014024697A1
Application number: PCT/JP2013/070216
Authority: WO
Inventors: 貴文廣畑
Original assignee: University of York; Japan Science and Technology Agency
Current assignee: University of York; Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2012-08-09
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2015-02-09
Also published as: US9548634B2; CN104584416A; EP2884654B1; KR101633694B1; JP5534493B1; TW201414175A; EP2884654A1; CN104584416B; JPWO2014024697A1; TWI545883B; EP2884654A4; KR20150045455A; US20150229169A1

Abstract

　スピン回転部材は、基板と、基板上に設けられ、基板面内方向に磁化された強磁性体からなるスピン注入子と、基板上にスピン注入子と離間して設けられ、基板面内方向に磁気モーメントが回転可能な強磁性体からなるスピン回転子と、スピン注入子とスピン回転子との間に配置され、スピン注入子及びスピン回転子と直接又は絶縁層を介して接合された非磁性体からなるチャネル部と、チャネル部のスピンの回転方向を制御するスピン回転制御部と、を備える。

Description

スピンモータ及びスピン回転部材

　本発明は、スピンモータ及びスピン回転部材に関するものである。

　従来、モータとして、ナノスケールの小型モータが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。特許文献１記載のモータは、磁石を有する回転子と回転子の周囲を四方から囲む小型のコイルを有し、電磁誘導を利用して駆動する。特許文献２記載のモータは、電極が接続された非磁性体からなる回転子を有し、ジャイロ磁気効果を利用して駆動する。

特開２００７－０６９３２５号公報特開２００６－３４５６３８号公報

　しかしながら、特許文献１記載のモータにあっては、回転子を複数のコイルで囲むように配置関係を調整して組み立てる必要があるため、さらなる小型化を図る場合には製造が困難となるおそれがある。また、特許文献２記載のモータにあっては、回転子そのものに電流を印加する必要性があるため、回転子の回転性を確保した状態で電極と結合させる特別な構造が必要となる。このため、本技術分野では、簡易な構造のモータ及び該モータ等に用いられる部材が望まれている。

　本発明の一側面に係るスピン回転部材は、基板と、基板上に設けられ、基板面内方向に磁化された強磁性体からなるスピン注入子と、基板上にスピン注入子と離間して設けられ、基板面内方向に磁気モーメントが回転可能な強磁性体からなる円板状のスピン回転子と、スピン注入子とスピン回転子との間に配置され、スピン注入子及びスピン回転子と直接又は絶縁層を介して接合された非磁性体からなるチャネル部と、チャネル部のスピンの回転方向を制御するスピン回転制御部と、を備える。

　このように構成することで、例えば強磁性体からなるスピン注入子と非磁性体からなるチャネル部とに電流又は電圧を印加すると、チャネル部に強磁性体からなるスピン回転子へ向けてスピン流が生じる。チャネル部に流れるスピンは、スピン回転子の磁気モーメントに対してスピントランスファートルク（Ｓｐｉｎ－Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｔｏｒｑｕｅ）として作用する。このとき、スピン回転制御部により、チャネル部に流れるスピンの向きを制御することができるため、スピン回転子の磁気モーメントを回転させることができる。よって簡易な構造でスピン回転部材を実現することができる。また、このスピン回転部材を用いることで、例えば簡易な構造のモータを構成することができる。

　一実施形態では、スピン回転制御部はチャネル部と直接又は絶縁層を介して接合されてもよく、チャネル部へ電圧を印加してもよい。またスピン回転制御部は、円偏光をチャネル部へ照射してもよい。さらにスピン回転制御部は、スピン注入子へ印加する電圧値を変更してもよい。このように構成することで、チャネル部に流れるスピン流を適切に制御することができる。

　一実施形態では、チャネル部は、半導体材料により形成されてもよい。このように構成することで、円偏光をチャネル部に照射することによって、スピンの向きを制御することができる。また、スピン軌道相互作用を介したスピン制御が可能となる。

　一実施形態では、チャネル部は、二次元電子ガス層を有していてもよい。このように構成することで、二次元電子ガス層により、スピンが供給されるため、チャネル部におけるスピンの角運動量の伝搬を効率良く行うことができる。

　一実施形態では、チャネル部は、軸線方向が面内方向に向くように配置された線形部材であって、スピン回転子は、該スピン回転子の直径がチャネル部の前記線幅より小さくてもよい。このように構成することで、スピン回転子に対するスピンの角運動量の伝搬を効率良く行うことができる。

　本発明の他の側面に係るスピンモータは、基板と、基板上に設けられ、基板面内方向に磁化された強磁性体からなるスピン注入子と、基板上にスピン注入子と離間して設けられ、基板面内方向に磁気モーメントが回転可能な強磁性体からなるスピン回転子と、スピン注入子とスピン回転子との間に配置され、スピン注入子及びスピン回転子と直接又は絶縁層を介して接合された非磁性体からなるチャネル部と、チャネル部のスピンの回転方向を制御するスピン回転制御部と、スピン回転子と離間し対向して配置され、スピン回転子の磁気モーメントに追従して回転する強磁性体からなるモータ回転子と、を備える。

　このように構成することで、スピン回転子の磁気モーメントが回転すると、スピン回転子に対向配置させた強磁性体からなるモータ回転子をスピン回転子の磁気モーメントの回転に追従させて回転させることが可能となる。よって、スピン回転子とモータ回転子とを対向配置させるという簡易な構造でスピンモータを実現することができる。

　一実施形態では、スピン回転子は、円板状を呈し、モータ回転子は、回転軸が基板に直交するように配置してもよい。スピン回転子が円板状の場合、基板面内方向におけるスピン回転子の磁気異方性を均一にすることができるため、スピン回転子の磁気モーメントの基板面内方向における回転の制御を容易に行うことができる。

　一実施形態では、チャネル部は、基板上に形成され、スピン注入子及び前記スピン回転子は、チャネル部上に形成され、モータ回転子は、スピン回転子の上方に離間して配置されてもよい。このように構成することで、スピンモータの作成が容易となる。

　以上説明したように、本発明の種々の側面及び実施形態によれば、簡易な構造のモータ及び該モータ等に用いられる部材を提供することがきる。

一実施形態に係るスピン回転部材の斜視図である。図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。一実施形態に係るスピンモータを示した斜視図である。一実施形態に係るスピン回転部材の動作原理を説明する概要図である。

　以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について具体的に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

　本実施形態に係るスピンモータは、いわゆるスピンバルブ構造を応用したスピンモータであって、例えばナノスケールのスピンモータとして好適に採用されるものである。図１は、一実施形態に係るスピンモータに用いられるスピン回転部材の斜視図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。

　図１に示すように、スピン回転部材１０は、例えば、チャネル部１２、スピン注入子１４、スピン回転制御部１５及びスピン回転子１６を備えている。ここでは、強磁性体からなるスピン注入子１４及び強磁性体からなるスピン回転子１６を非磁性体からなるチャネル部１２によって橋渡しした面内スピンバルブ構造が形成されている。スピン注入子１４及びスピン回転子１６は、例えばＦｅ、ＮｉＦｅ等により形成され得る。チャネル部１２は、例えばＳｉもしくはヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）などの半導体材料、又は、ＡｇもしくはＣｕ等の非磁性金属により形成され得る。以下では、チャネル部１２が半導体材料で形成された場合を説明する。

　図１，２に示すように、チャネル部１２は基板２４上に配置されている。基板２４として例えば半導体基板が用いられる。チャネル部１２は、線形部材であって、その軸線方向が面内方向に向くように配置されている。チャネル部１２は、例えば基板２４上に積層させた半導体層２０をメサ状に加工することによって形成される。チャネル部１２の線幅は、例えば１０μｍ以下とされる。また、チャネル部１２の線幅は、例えば、０．０５μｍ以上であってもよい。なお、基板２４と半導体層２０との間に二次元電子ガス層２２を形成した場合には、二次元電子ガス層２２及び半導体層２０をメサ状に加工することによってチャネル部１２を形成してもよい。例えば、基板２４としてＧａＡｓ基板を用い、半導体層２０を基板２４に電子をドーピングして形成した場合には、半導体層２０と基板２４との間に二次元電子ガス層２２が形成される。

　スピン注入子１４は、基板２４上に設けられる。スピン注入子１４は、線形部材であって、その軸線方向が面内方向に向くように配置され、面内方向に磁化されている。なお、ここではスピン注入子１４は、チャネル部１２上に配置されている。スピン注入子１４は、チャネル部１２と交差するように配置される。このため、スピン注入子１４及びチャネル部１２は、互いに接触（直接的に接合）している。スピン注入子１４とチャネル部１２とが交差する領域がスピン注入領域（スピン注入位置）となる。スピン注入子１４の線幅は、例えば１０μｍ以下とされる。また、スピン注入子１４の線幅は、例えば、０．０５μｍ以上であってもよい。

　スピン回転子１６は、基板２４上にスピン注入子１４と離間して設けられる。スピン回転子は、円板部材であって、基板面内方向に磁気モーメントが向くように形成されている。なお、円板部材とは、その水平断面が鋭角部を有さない形状の部材を意味する。円板部材は、例えば、その直径が小さい円板形状（ドット形状）の部材や、円錐状の部材であってもよい。また、円板部材は、例えば、その水平断面が円形の板状部材のみならず、水平断面が楕円形状である部材、水平断面が多角形であって角の角度が例えば１８０度に近い非常に大きな多角形となる部材を含む。ここではスピン回転子１６は、チャネル部１２上に配置されている。スピン回転子１６は、チャネル部１２と接触（直接的に接合）されている。ここでは、スピン回転子１６は、その直径がチャネル部１２の線幅より小さくなるように形成されている。スピン回転子１６の直径は、例えば１０μｍ以下とされる。また、スピン回転子１６の直径は、例えば、０．０５μｍ以上であってもよい。

　このように、スピン注入子１４とスピン回転子１６との間にチャネル部１２が配置された面内スピンバルブ構造とされている。スピン注入子１４の一端部には、電流又は電圧印加用の端子部１４ａが形成され、チャネル部１２の一端部（両端部のうちスピン注入子１４に近い端部）には、電流又は電圧印加用の端子部１２ａが形成されている。

　スピン回転制御部１５は、例えば電圧制御部及び電圧印加用端子を備えている。スピン回転制御部１５は、チャネル部１２に接続されている。例えば、スピン回転制御部１５は、チャネル部１２上の領域であって、スピン注入子１４とスピン回転子１６との間に位置する領域と直接接合されている。スピン回転制御部１５は、チャネル部１２のスピンの回転方向を制御するために、チャネル部１２へ電場又は磁場を印加可能に構成されている。スピン回転制御部１５は、例えば略直方体を呈し、チャネル部１２の長手方向に直交する方向の幅が例えば１０μｍ以下とされる。また、チャネル部１２の長手方向に直交する方向の幅は例えば０．１μｍ以上であってもよい。なお、ここでは、スピン回転子１６は、チャネル部１２の長手方向に直交する方向の幅がチャネル部１２の線幅以下になるように形成されている。

　図３は、一実施形態に係るスピンモータを示した斜視図である。図３に示すように、スピンモータ４０は、スピン回転部材１０とモータ回転子３０を備える。モータ回転子３０は、強磁性体材料により形成され、スピン回転子１６の上方にスピン回転子と離間して対向して配置されている。モータ回転子３０は、スピン回転子１６の漏洩磁場が伝達される範囲に配置されればよく、スピン回転子１６から例えば数１０ｎｍ以下の範囲に配置される。すなわち、モータ回転子３０は、スピン回転子１６の磁気モーメントに追従して回転可能な位置に配置されている。モータ回転子３０は、例えば略円板状を呈し、その回転軸が基板２４に直交するように配置されている。なお、モータ回転子３０の形状は略円板状に限られるものではなく、例えば棒状部材等であってもよい。モータ回転子３０には、モータ回転子３０の回転運動を伝達させる棒状部材等が接続されている。モータ回転子３０の直径は、例えば１０μｍ以下とされる。また、モータ回転子３０の直径は、例えば、０．１μｍ以上であってもよい。

　上記構成を有するスピン回転部材１０及びモータ回転子３０は、以下のように動作する。図４は、一実施形態のスピンモータ４０の動作原理を説明するための概略図である。まず、スピン注入子１４の端子部１４ａとチャネル部１２の端子部１２ａとの間に電流が印加される。これにより、図４に示すように、スピン注入子１４の磁化方向と反平行となるスピンがチャネル部１２へ注入される。チャネル部１２に注入されたスピンは、チャネル部１２の両端部へ拡散する。このとき、拡散するスピンとは反平行のスピンがスピン回転子１６側からスピン注入子１４側に向けて流れる。このため、電荷を伴わないスピン流が、スピン注入子１４側からスピン回転子１６側へ向けて発生する。チャネル部１２に流れるスピンは、スピン軌道相互作用によって歳差運動しており、このスピン軌道相互作用がスピン回転制御部１５によって印加された電圧による電界によって制御される。すなわち、チャネル部１２に流れるスピンの向きは、スピン回転制御部１５の印加電圧によって変更される。ここでは、スピンの向きが、時間に応じて基板面内方向に除々にΔθずつ回転するように変更される。このとき、回転角度として固定値を設定してもよく、例えば、単位時間あたり１０°（Δθ＝１０°）回転するように設定してもよい。あるいは、回転角度を可変値としてもよい。スピン回転子１６へ到来するスピン流は、時系列でスピンの向きが基板面内方向にΔθずつ回転されている。チャネル部１２のスピンは、スピン回転子１６の磁気モーメントにスピントランスファートルク（Ｓｐｉｎ－Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｔｏｒｑｕｅ）を与える。このため、スピン流のスピンの向きが時系列で回転させられていることで、スピン回転子１６の磁気モーメントが回転する。このとき、図３に示すように、モータ回転子３０はスピン回転子１６の磁気モーメントに追従して回転する。このように、磁気モーメントの回転を運動エネルギーに変換することでスピンモータ４０として駆動させることができる。また、例えば、スピン回転子１６の水平断面を楕円形など軸の長さに差がある形状を採用した場合には、長軸方向に磁気モーメントが向きやすくなるため、初期の磁気モーメントの向きを制御することができる。

　上述したように、一実施形態に係るスピン回転部材１０及びスピンモータ４０によれば、モータ回転子３０を、スピン回転子１６の上方に離間して配置するだけで磁気モーメントの回転を運動エネルギーに変換することができる。すなわち、モータ回転子３０を複数のコイル等で囲むように配置関係を調整して組み立てる必要がなく、また、モータ回転子３０そのものに電流を印加する必要性がないため、簡易な構造のモータとすることができる。

　また、一実施形態に係るスピン回転部材１０及びスピンモータ４０によれば、基板２４上に積層・エッチング等を行うことにより製造することができるため、従来の半導体技術で容易に製造可能である。

　また、非磁性金属のスピン拡散長は室温において数１００ｎｍ程度であるところ、これに比べて半導体はスピン拡散長が１桁以上長い。このため、チャネル部１２を半導体材料で形成することにより、スピン注入子１４とスピン回転子１６とを他の非磁性体を採用した場合に比べて離して形成することができる。したがって、他の非磁性材料を採用した場合に比べて製造工程において厳密な加工精度が要求されることがなく、容易にスピン回転部材１０を作成することが可能となる。

　また、一実施形態に係るスピン回転部材１０によれば、チャネル部１２を二次元電子ガス層２２及び半導体層２０で形成することにより、二次元電子ガス層２２からスピンが供給されるため、チャネル部１２におけるスピンの角運動量の伝搬を効率良く行うことができる。

　また、一実施形態に係るスピン回転部材１０によれば、スピン回転子１６は、チャネル部１２の長手方向に直交する方向の幅がチャネル部１２の線幅以下になるように形成されているため、チャネル部１２のスピンの角運動量をスピン回転子１６へ効率良く伝搬させることができる。

　さらに、一実施形態に係るスピン回転部材１０によれば、スピン注入子１４に近いチャネル部１２の端部に電流印加用の端子部１２ａが形成されていることから、電荷の流れを伴わないスピン流を発生させてスピン回転子１６の磁気モーメントを回転させることができる。このため、ジュール熱の発生を抑えることができるため、安定動作可能なスピン回転部材１０とすることができる。

　上述した実施形態は、本発明に係るスピン回転部材及びスピンモータの一例を示すものであり、実施形態に係るスピン回転部材及びスピンモータに限られるものではなく、変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

　例えば、上述した実施形態では、スピン注入子１４、スピン回転制御部１５及びスピン回転子１６は、チャネル部１２と直接接合されている例を説明したが、スピン注入子１４、スピン回転制御部１５及びスピン回転子１６の少なくとも１つが、チャネル部１２と絶縁層を介して接合されていてもよい。このように構成した場合であっても、スピン回転部材１０として機能させることができる。

　また、上述した実施形態では、スピン注入子１４及びスピン回転子１６がチャネル部１２よりも上方に配置される例を説明したが、スピン注入子１４及びスピン回転子１６は、チャネル部１２と少なくとも一部が接触した状態となっていれば、どのように配置されていてもよい。すなわち、スピン注入子１４及びスピン回転子１６は、チャネル部１２の側方に配置されてもよい。また、スピン回転子１６はチャネル部１２の線幅以上であってもよい。

　また、上述した実施形態では、スピン回転制御部１５としてチャネル部１２に電流を印加する例を説明したが、他のスピン回転制御部を採用してもよい。例えば、チャネル部１２へ円偏光を照射する照射部をスピン回転制御部１５として採用してもよい。なお、この場合、チャネル部１２は半導体材料により形成される。このように形成することで、円偏光を用いてスピンの向きを制御することが可能となるため、チャネル部１２に接触させる部品点数を少なくすることができる。

　さらに、スピン注入子１４へ印加する電圧値を変更する制御部を、スピン回転制御部１５として採用してもよい。強磁性体金属と半導体との界面にはショットキー障壁が形成されており、電子のエネルギーと共鳴準位とが一致したときに電流が大きく流れる。スピン注入子１４へ印加する電圧値を変更することで、強磁性体金属／半導体界面内に生成された共鳴準位を変更することができるため、チャネル部１２のスピンの向きをスピン注入子への印加電圧で制御することができる。このように形成することで、チャネル部１２に接触させる部品点数を少なくすることができる。

　また、上述した実施形態では、いわゆる非局所手法によって電荷の流れを伴わないスピン流を発生させてスピン回転子１６を回転させる例を説明したが、スピン回転子１６に近いチャネル部１２の端部に電流印加用の端子部１２ａを形成し、いわゆる局所手法によって電荷の流れを伴うスピン流を発生させてスピン回転子１６の磁気モーメントを回転させてもよい。この場合、非局所手法の場合に比べて電流密度を大きくすることができるため、スピントルクを大きくすることが可能となる。よって、効率良くスピン回転子１６の磁気モーメントを回転させることができる。

　また、上述した実施形態では、モータ回転子３０は、スピン回転子１６と離間し対向して配置される例を説明したが、スピン回転子１６とモータ回転子３０は離間している場合に限定されない。例えば、スピン回転子１６とモータ回転子３０とがベアリング等を介して接続されていてもよい。このように構成した場合であっても、スピンモータとして機能させることができる。

　上述した実施形態では、スピン回転部材１０及びスピンモータ４０の各構成部材の大きさがマイクロオーダーの部材である場合も含むように説明しているが、各構成部材の大きさをナノオーダーで形成し、ナノスケールのスピン回転部材１０及びスピンモータ４０としてもよい。

　スピン回転部材１０は、産業上、以下のような利用可能性を有している。スピン回転部材１０は、例えば、上述した実施形態に係るスピンモータ４０のように、微小モータを駆動するモータ用の動力源として、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）や、ＮＥＭＳ（Ｎａｎｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）などの分野で利用することができる。またスピン回転部材１０及びスピンモータ４０は、電子・電気分野、医療関係分野等の機器部品、モータとして使用できる。

　また、スピン回転部材１０は、例えば、遠心分離器の一部品（遠心分離器用の部品）として利用することもできる。スピン回転部材１０を用いた遠心分離器は、例えば、回転数の異なる複数のスピン回転子１６を配列させ、磁気ビーズを組み込んだ高分子・生体材料等をスピン回転子１６の磁気モーメントに追従させて回転させ、遠心力によって分離させる構造としてもよい。

　また、スピン回転部材１０は、例えば、発振器の一部品（発振器用の部品）として利用することもできる。スピン回転部材１０を用いた発振器は、例えば、２つの磁気モーメントの向きが一致したときにだけ電流が流れる磁気抵抗効果を利用してもよい。スピン回転子１６と非磁性体部材を介して接触させた強磁性体の磁気モーメントの向きと、スピン回転子１６の磁気モーメントとの向きとを利用した磁気抵抗効果により、スピン回転子１６の回転数に応じて発振させる構造としてもよい。

　１０…スピン回転部材、１２…チャネル部、１４…スピン注入子、１５…スピン回転制御部、１６…スピン回転子、２４…基板、３０…モータ回転子、４０…スピンモータ。

Claims

　基板と、
　前記基板上に設けられ、基板面内方向に磁化された強磁性体からなるスピン注入子と、
　前記基板上に前記スピン注入子と離間して設けられ、基板面内方向に磁気モーメントが回転可能な強磁性体からなる円板状のスピン回転子と、
　前記スピン注入子と前記スピン回転子との間に配置され、前記スピン注入子及び前記スピン回転子と直接又は絶縁層を介して接合された非磁性体からなるチャネル部と、
　前記チャネル部のスピンの回転方向を制御するスピン回転制御部と、
を備えるスピン回転部材。
　前記スピン回転制御部は、前記チャネル部と直接又は絶縁層を介して接合され、前記チャネル部へ電圧を印加する請求項１に記載のスピン回転部材。
　前記スピン回転制御部は、円偏光を前記チャネル部へ照射する請求項１に記載のスピン回転部材。
　前記スピン回転制御部は、前記スピン注入子へ印加する電圧値を変更する請求項１に記載のスピン回転部材。
　前記チャネル部は、半導体材料により形成される請求項１～４の何れか一項に記載のスピン回転部材。
　前記チャネル部は、二次元電子ガス層を有する請求項１～５の何れか一項に記載のスピン回転部材。
　前記チャネル部は、軸線方向が面内方向に向くように配置された線形部材であって、
　前記スピン回転子は、その直径が前記チャネル部の線幅より小さい請求項１～６の何れか一項に記載のスピン回転部材。
　基板と、
　前記基板上に設けられ、基板面内方向に磁化された強磁性体からなるスピン注入子と、
　前記基板上に前記スピン注入子と離間して設けられ、基板面内方向に磁気モーメントが回転可能な強磁性体からなるスピン回転子と、
　前記スピン注入子と前記スピン回転子との間に配置され、前記スピン注入子及び前記スピン回転子と直接又は絶縁層を介して接合された非磁性体からなるチャネル部と、
　前記チャネル部のスピンの回転方向を制御するスピン回転制御部と、
　前記スピン回転子と離間し対向して配置され、前記スピン回転子の磁気モーメントに追従して回転する強磁性体からなるモータ回転子と、
を備えるスピンモータ。
　前記スピン回転子は、円板状を呈し、
　前記モータ回転子は、回転軸が基板に直交するように配置される請求項８に記載のスピンモータ。
　前記チャネル部は、前記基板上に形成され、
　前記スピン注入子及び前記スピン回転子は、前記チャネル部上に形成され、
　前記モータ回転子は、前記スピン回転子の上方に離間して配置される請求項８又は９に記載のスピンモータ。