磁気抵抗メモリの高性能化に向けた新原理を発見：高温下でスピンホール効果を増大

東京工業大学は、非磁性体の「TaSi2」において、フェルミレベル近傍にバンドの縮退点（ベリー位相のモノポール）を配置することにより、高温下でスピンホール効果を増大させる新原理を発見した。SOT（スピン軌道トルク）方式を用いる磁気抵抗メモリについて、高温下での性能改善が期待される。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

フェルミレベル近傍にベリー位相のモノポールを配置

　東京工業大学工学院電気電子系のファム・ナムハイ准教授と白倉孝典特任助教、石田乾氏（学士課程3年）は2024年1月、非磁性体の「TaSi₂」において、フェルミレベル近傍にバンドの縮退点（ベリー位相のモノポール）を配置することにより、高温下でスピンホール効果を増大させる新原理を発見したと発表した。「ベリー位相モノポールエンジニアリング技術」と呼ぶこの手法を用いることで、SOT（スピン軌道トルク）方式を用いる磁気抵抗メモリについて、高温下での性能改善が期待される。

　磁気抵抗メモリは、磁性体を用いた不揮発性メモリである。磁化の向きをスピン流によって制御することで動作する。現在はスピン流を生成する方法として、STT（スピン移行トルク）方式が主に用いられている。

　最近は、磁性体に接合した非磁性体へ電流を注入し、スピンホール効果を利用して純スピン流を生成可能なSOT方式が注目されている。STT方式に比べ効率よくスピン流を生成できるからだ。スピンホール効果はスピンホール伝導率「σ_SH」で示され、その大きさはバンド構造の幾何学的位相である「ベリー位相」の効果で決まるという。ただ、多くの金属材料において、スピンホール伝導率は不純物や温度に依存せず一定であるといわれてきた。

　研究チームは今回、カイラル構造を持つTaSi₂に着目した。第一原理計算により、フェルミレベルの直上に複数のディラックポイントが存在することを確認した。これにより、TaSi₂が高温になればフェルミディラック分布に従い、モノポールの寄与が増大することによってスピンホール効果が高まると考えた。

　そこで研究チームは、スパッタリング法によりTaSi₂と強磁性体CoFeB膜のヘテロ接合膜を作製した。この試料を用い、温度を変えながらTaSi₂のスピン伝導特性について評価を行った。この結果、高温になればスピンホール伝導率が上昇していくことを確認した。これには、ディラックポイントが寄与していることも分かった。

左上図（a）はTaSi₂が持つカイラル構造、右上図（b）はスピン軌道相互作用を考慮して、第一原理計算で得られたバンド図、左下図（c）はスパッタリング法で製膜したスタックの構造図、右下図（d）はスピンホール伝導率の温度依存性［クリックで拡大］ 出所：東京工業大学