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2023.08.01 通过电子的波函数操作，以皮秒以下的超高速实现磁化控制—面向在太赫兹频带工作的低功耗自旋器件验证了新功能—发表要点 ◆向强磁性的半导体量子阱结构照射非常短的脉冲激光，首次成功地以600飞秒以下的超高速瞬间增大了磁化。 ◆通过脉冲激光的照射，被困在半导体量子阱中的二维电子的波函数以超高速移动，量子阱内的电子载流子的分布发生了变化，磁化增大。 这是世界上第一个通过操作波函数以超高速控制磁化的成功。 ◆本研究实现的超高速磁化控制法不需要载流子浓度的变化，因此与以往的使用磁性金属材料使载流子浓度变化的方法相比，可以说，这为实现与晶体管技术匹配性好、能够以比现在的半导体集成电路太赫兹频段高10倍到100倍的频率工作的低功耗自旋电子学和量子器件开辟了新的道路。 在包含铁磁性半导体( In，Fe ) As的半导体量子阱中，电子载流子的波函数在照射脉冲激光的瞬间以超高速移动，与此相伴，在1皮秒以下Fe原子的自旋瞬间对齐(红圈表示Fe原子，箭头表示其自旋) 发布概述 东京大学研究生院工学系研究科电气系工学专业/附属自旋电子学学术联合研究教育中心的Le Duc Anh副教授、小林正起副教授、武田崇仁特任助教以及田中雅明教授的研究小组是该大学研究生院理学系研究科的鹫见寿秀研究生、该大学物性研究所的堀尾真史助教、松田严教授的研究小组， 与分子科学研究所的山本航平助教、理化学研究所放射光科学研究中心的久保田雄也研究员、矢桥牧名小组总监、高亮度光科学研究中心的大和田成起主干研究员的研究小组共同开发了强磁性半导体( In， 用长度为30飞秒( fs ) (注2 )的脉冲激光照射含Fe ) As (注1 )的半导体量子阱结构，首次成功地在600 fs的非常短的时间内增大了量子阱(注3 )的磁化强度(注4 ) (图1 ) 通过对实验结果的分析和理论计算进行的模拟表明，fs脉冲激光生成的载流子(电子和空穴) (注5 )不会与铁磁性半导体层内Fe的磁矩直接相互作用。 但是，通过由这些空间电荷产生的表面电位，限制在量子阱内的二维电子的波函数(注3 )以及与之相应的电子密度分布非常快地变化，结果明确了Fe磁矩之间的磁相互作用超高速增强，磁化( Fe的磁矩总和引起的宏观磁有序)增大(图2 )。 传统的铁磁体为了增大磁化，需要使材料的D轨道或f轨道的电子浓度发生较大的变化，通过场效应晶体管(注6 )的栅极电压等电气手段超高速且大量地调制材料的电子浓度非常困难。 与此相对，本研究实现的基于波函数的超高速磁化控制方法，由于不是以往的载流子浓度的变化，而是在控制半导体中的波函数这一点上是划时代的，且与晶体管技术具有高度的匹配性，因此我们认为，这为实现能够在太赫兹( THz )频段超高速、低功耗工作的自旋电子学(注7 )器件和量子器件开辟了新的道路。 图1:(左图)本研究中使用的测量系统。 用泵浦光(红外光)超短脉冲照射由铁磁性半导体( In，Fe ) As/非磁性半导体InAs构成的量子阱结构，利用与之同步的探测光( XFEL )观测量子阱内Fe磁矩的时间变化。 铁磁量子阱的磁化使反射的XFEL的偏振面旋转(克尔旋转)，并通过旋转偏振片和光电探测器对其进行检测。 (右图)光电检测器检测的XFEL的反射强度反映了铁磁性量子阱的磁化。 泵浦光入射后，在600 fs的非常短的时间内(区域I )磁化增大。 这是世界上第一个通过控制波函数以超高速进行磁化控制的实证案例。 图2 :磁化增大机制 展示了本研究制作的量子阱结构的电位。 量子阱由铁磁性层( In，Fe ) As和非磁性层InAs构成。 红外超短脉冲激光生成的电子和空穴(光电子、光空穴)不与铁磁性半导体层的Fe磁矩直接相互作用，但它们的空间电荷产生的势会非常快地变化，使封闭在量子阱内的二维电子的波函数(φi (z )，蓝色曲线)发生位移。由于铁磁性半导体( In，Fe ) As的Fe磁矩之间的磁相互作用受这些二维电子波函数的中介，在泵浦光照射后，二维电子的波函数会发生变化，与( In，Fe ) As层的重叠增加，从而铁磁性量子阱整体的磁化以超高速增大。
本研究成果于2023年7月28日(英国夏令时)刊登在科学杂志《Advanced Materials》的在线版上。 发表内容 〈研究背景〉 当今信息化社会，使用生成AI和IoT (物联网)机器等，迎来了数据量爆炸性增长的时代，负责记录和处理其巨大信息的电子设备强烈要求“高速化”、“高密度化”、“低功耗化”。 现有的电子设备大致分为以硬盘为代表的强磁性体(磁铁)中利用电子“自旋”(注8 )的有序(磁化)的非易失性记录设备和以集成电路为代表的利用半导体中电子“电荷”高速控制的信息处理设备， 目前的信息系统互补利用这两种设备，实现了“高速运算”和“非易失性存储、记录”，但连接两者的布线数据通信速度非常慢，功耗也很大。
作为解决该问题的新一代电子器件，希望融合半导体和磁性体所具有的不同特长和功能，制造具有高速且低功耗地工作的自旋功能的半导体器件，为了实现这一点，半导体自旋电子学这一领域在世界范围内被广泛研究。 具有自旋功能的半导体器件的输出受铁磁材料磁化(自旋方向)控制，但支配自旋动力学(注9 )的各种磁相互作用机制非常快，为100飞秒( fs )到10皮秒( ps ) (注2 )左右，使自旋半导体器件在ps量级上工作在原理上是有希望的。但是，即使是以磁随机存取存储器( MRAM )为代表研究进展最快且实用化的自旋器件，磁化控制最快也只有几纳秒(1 ns = 1000 ps )左右，处于比以往的半导体晶体管( MOSFET )慢一个数量级左右的状态。 另外，为了反转磁化并进行写入，采用了基于电流驱动的磁化控制法(注10 )，但由于需要106〜107 A/cm2这样极高的电流密度，因此会消耗大量的电力。 在使用自旋器件的新一代信息系统中，需要解决上述问题，确立高速且低功耗控制磁化的方法。 为了大幅降低磁化控制所需的功耗，需要从现在使用的基于电流驱动的磁化控制切换为基于工作电流接近零的电压的磁化控制(注11 )。 最常见的电压驱动磁化控制方法是在金属栅极/绝缘膜/强磁性体的金属氧化物半导体( mos )结构中，通过向金属栅极施加电压来调制强磁性体中的载流子浓度的方法。 关于利用该方法可以改变磁各向异性、居里温度(注4 )、磁化方向等磁特性的论文已经有很多报道。 但是，在该方法中，需要在强磁性体中引起大载流子浓度和电荷量的变化(载流子浓度的变化Δn = 1013〜1014 cm-2，电荷量的变化ΔQ = eΔn，e为电荷素量)，因此，大的消耗电力( E = ΔQ2/2C，c为静电 由于载流子浓度的调制远远慢于自旋动力学，因此还存在无法解释本征的自旋动力学过程的问题。 本研究小组通过在用于高速晶体管、LED、半导体激光器等的III-V族化合物半导体中添加铁( Fe )和锰( Mn )等磁性元素，制作出具有半导体和强磁性体性质的“强磁性半导体”， 多年来一直在进行开发基于其非易失性和自旋相关物性的新物理现象和功能的研究，正在开发使用与现有电子相容性好的强磁性半导体的自旋电子学。 特别是添加了Fe的III-V族强磁性半导体，通过超薄膜化高品质的强磁性材料及其异质结构，由于具有载流子的高相干性(注3 )，是可以期待各种量子效果的独特的材料系统。 最近，在研究小组制作的添加Fe的铟砷( In，Fe ) As的薄膜结构中，成功观测到了清晰的量子尺寸效应(注3 ) [ appl.phys.lett.104，042404 ( 2014 ) ]。 在世界上首次展示了通过用电压调制这种量子阱中载流子的波函数和铁磁性层的重叠，可以在载流子浓度几乎不变化的情况下控制磁特性[ phys.rev.b92，161201 ( r ) ( 2015 ) 基于该波函数磁化控制法，I )不需要载流子总数的变化，ii )载流子的移动距离非常短，为量子阱内的数纳米( nm )左右，虽然有望实现通过以往的基于载流子浓度调制的磁化控制法无法实现的ps量级的超高速且超低功耗的磁化控制，但在以前的研究中还没有得到其实证。 〈研究内容〉 研究小组通过使用分子束外延法(注12 )的晶体生长，制作了由铁磁性半导体( In，Fe ) As/非磁性半导体InAs构成的半导体双层结构，在该结构中电子载流子为了具有长的相干长度，作为单一的量子阱工作 在该铁磁性量子阱结构中，在低于居里温度( 15 K )的温度( 9 K )下，对试样照射红外波长( 793 nm )的超短脉冲激光(脉冲宽度为30 fs )，与此同时，测定Fe原子特有的内壳能级间的跃迁( m吸收端、 52 eV )共振能量的x射线自由电子激光( X-ray Free-Electron Laser，XFEL ) (注13 )观测作为量子阱内的Fe磁矩的总和的磁化的时间变化的泵浦和探针法 我们发现当红外激光脉冲入射时，量子阱的磁化在600 fs这样非常短的时间内瞬间增大(图1 )。 对实验结果的分析和理论计算表明，红外超短脉冲激光产生的电子和空穴虽然不直接与铁磁半导体层的Fe磁矩相互作用，但它们的空间电荷产生的势能迅速变化，使得量子阱中二维电子的波函数在量子阱内发生了位移。 由于铁磁性半导体( In，Fe ) As的Fe磁矩之间的磁相互作用由这些二维电子中介，因此在红外超短脉冲激光照射后二维电子的波函数在量子阱内偏移，与( In，Fe ) As层的重叠增加，弄清了铁磁性量子阱整体的磁化以超高速增大的机制(图2 )。 本研究的成果将成为世界上第一个通过操作波函数来超高速控制磁化的实证。 〈今后的展望〉 本研究在提供不需要载流子浓度变化的新的超高速磁化控制法这一点上可以说具有非常大的冲击。 这种新的磁化控制方法易于应用于半导体晶体管技术，为融合半导体和磁性体不同特点和功能的半导体自旋器件开辟了超高速、低功耗控制输入输出的新途径。 通过发展本研究，有望实现能够在太赫兹频段超高速工作的低功耗自旋电子学和量子器件。 主讲人 东京大学
研究生工学系研究科电气系工学专业
雷德伍艾因( Le Duc Anh ) (副教授)〈附属自旋电子学学术合作与研究教育中心〉
小林正起(副教授)〈附属自旋电子学学术合作研究教育中心〉
武田崇仁(特任助教)〈附属自旋电子学学术合作研究教育中心〉
田中雅明(教授)〈附属自旋电子学学术合作研究教育中心(中心主任)〉
研究生理学系研究科化学专业
鹫见寿秀
物性研究所附属极限相干光科学研究中心
堀尾真史(助教)
松田严(教授)
分子科学研究所
山本航平(助教)
理化研究所放射光科学研究中心
久保田雄也(研究员)
矢桥牧名(集团总监)〈高亮度光科学研究中心XFEL利用研究推进室(室长)〉
高亮度光科学研究中心
XFEL利用研究推进室尖端光源利用研究小组实验技术开发小组
大和田成起(主干研究员) 论文信息 《高级材料》
〈题名〉超快速次优管理
〈作者〉Le Duc Anh，Masaki Kobayashi，Takahito Takeda，Kohsei Araki，Ryo Okano，Toshihide Sumi，Masafumi Horio，Kohei Yamamoto，yamoto
〈DOI〉10.1002/adma.202301347
< URL > https:///10.1002/adma.202301347 研究资助 本研究是由科学技术振兴机构( JST )发起的“拓扑材料科学与创新功能创造(研究总结:村上修一)”研究领域中的“使用铁磁性半导体实现拓扑超导状态( JPMJPR19LB )”、 CREST“基于量子态高级控制的创新量子技术基础的创造(研究综述:荒川泰彦)”研究领域中的“基于铁磁性量子异质结构的物性功能的创造及其在非易失性低功耗自旋器件中的应用( JPMJCR1777 )”、科研经费补助金( Nos.19K21961 ) 在自旋电子学学术研究基础和合作网络( Spin-RNJ )、UTEC-UTokyo FSI、村田学术振兴财团的支持下实施。 XFEL实验得到高亮度光科学研究中心( JASRI )的批准，在SACLA的BL1上进行(课题编号: 2018A8064、2018B8022、2019A8001、2019B8060、2020A8063 )。 用語解説 (注1 )铁磁性半导体:是同时具有半导体和铁磁体性质的物质，目前主要以在半导体( II-VI族、III-V族)晶体生长中添加磁性元素( Mn、Fe、Co等)的混晶半导体为主流。 与现有半导体材料和半导体器件技术的一致性良好，有望作为将来自旋电子学器件中使用的材料。 最近，本研究小组开发了居里温度(显示强磁性的温度上限)超过室温的n型强磁性半导体( In，Fe ) Sb以及p型强磁性半导体( Ga，Fe ) Sb。
(注2 )皮秒，飞秒: 1皮秒( ps )为10-12秒( 10的负12次方秒)，1飞秒( fs )为10-15秒( 10的负15次方秒)。 600 fs相当于频率为太赫兹( THz = 1012 Hz )区域电磁波振动的几乎一个周期的时间。 光以秒速30万km的速度1秒钟绕地球7周半，但在600 fs之间只前进18 cm。
(注3 )量子阱、量子尺寸效应、波函数、相干性:在量子力学中，电子的行为用被称为波函数的波来表示，其存在概率用波函数绝对值的平方来描述。 其电子波函数的相位一致被称为电子的相干性，波函数相位不变的距离被称为相干长度。 将电子限制在比电子的相干长度窄的电势中时，电子的能量取离散化的值(电子状态称为量子化)。 这种现象称为量子尺寸效应，当嵌入的势为单向，电子的运动仅限于二维面内时称为量子阱。 量子阱内的电子在每个被量化的能量状态下具有用驻波表示的波函数。 通常，经常通过制作禁带不同的半导体超薄膜(厚度数nm~数十nm )的异质结构来形成量子阱。
(注4 )磁化强度、磁各向异性、居里温度:是铁磁体的重要磁性能。 磁化是作为材料内部原子级磁矩(电子自旋)的总和，以宏观磁矩出现的物理量。 根据铁磁性材料的性质，磁化往往倾向于某个特定的方向，这被称为磁各向异性。 另外，铁磁体磁化不为零的温度区域的上限称为居里温度。
(注5 )光生载流子:光照射物质原子等时发射电子的光电效应是Einstein于1905年发现的现象。 是吸收光能，从物质表面向外部释放的自由电子，和停留在固体内部被激发，有助于传导(光传导)的载流子(电子、空穴)的总称。 在本研究中，光载流子意味着后者(内部聚集的载流子)。
(注6 )场效应晶体管( Field Effect Transistor，FET ) :是构成集成电路90%以上的最主要的半导体元件。 FET由三个端子构成:对于某个半导体沟道，在横向上被“源极( s )”和“漏极( d )”这两个电极夹持，在半导体表面的纵向上有被非常薄的绝缘膜隔开的“栅极( g )”电极。 这是一种通过向栅极施加电压，在半导体表面施加纵向电场，使半导体沟道内部的载流子浓度变化，来控制源极-漏极之间流动的电流的晶体管。 采用铁磁沟道的FET结构，通过栅压场效应来控制铁磁材料磁化的尝试很多，但必须实现很大的载流子浓度变化，还无法实现有效的控制。
(注7 )自旋电子学:电子既有“电荷”，又有相当于自转角动量的“自旋”。 自旋电子学( Spintronics )是指利用“电荷”和“自旋”两者，将其应用于具有新功能的物质和材料的设计、器件、电子学、信息处理技术等领域。
(注8 )自旋自由度:电子具有自旋的自由度。 自旋经典上是相当于电子自转的角动量。 电子由于具有自旋而具有磁矩，在物质中该磁矩在一个方向一致的状态是铁磁性，磁矩的总和是磁化。 这是磁铁磁化和磁力的主要起源。
(注9 )自旋动力学:电子自旋和核自旋在与其他激发(光、电磁波、热等)相互作用下绕磁场轴旋转的旋进运动、其衰减过程和方向反转等自旋响应非常高速的现象统称为自旋动力学。 很多情况下可以通过光学现象或输送现象检测磁共振。
(注10 )电流驱动磁化控制:控制铁磁体磁化方向的一种方法。 通过在强磁性体中流过上自旋电子或下自旋电子中一方较多的电流(自旋极化电流)，产生转矩，引起磁化方向反转(称为自旋转移转矩)。 近年来，使无自旋极化的电流流过非磁性的重金属薄膜，通过自旋-轨道相互作用产生纯自旋流，通过向与重金属邻接的强磁性体注入自旋流，产生转矩，磁化反转类型的磁化反转备受瞩目(基于自旋-轨道转矩的磁化反转)。 在这些电流驱动的方法中，为了磁化反转需要流过大电流是目前的问题。
(注11 )电压磁化控制:控制铁磁体磁化方向的一种方法。 这是通过以金属栅极/绝缘膜/强磁性体的MOS(Metal-Oxide-Semiconductor )结构施加栅极电压，使强磁性体中的载流子浓度变化，从而使强磁性体的磁化方向反转的方法。 由于不通电，耗电量非常小，因此备受瞩目，但还处于物性控制和动作实证阶段，尚未实用化。
(注12 )分子束外延法:用于晶体生长的方法之一。 在超高真空室中加热各原料后发出的分子束到达基板进行结晶生长(外延生长)的方法。 由于具有可以以原子层为单位控制原料组成和膜厚、纯度高结晶性优异、可以利用电子束衍射实时观测生长中的表面、膜厚、质量等各种优点，因此是以新材料和异质结构的形成为代表的从研究开发到产业应用的广泛使用的方法。
(注13 ) x射线自由电子激光( X-ray Free-Electron Laser，XFEL ):x射线领域的激光之一。 与传统的以半导体和气体为振荡介质的激光不同，因为是以在真空中高速移动的电子束为介质，所以原理上没有波长限制。 另外，由于输出数飞秒( 1飞秒为1，000万亿分之一秒)的超短脉冲，所以可以观察原子和分子的瞬间运动。 另外，此次使用由理化学研究所和高亮度光科学研究中心共同建设的、具有世界最短波长等级激光振荡能力的XFEL设施sac la ( spring-8 angstrom compact free electron laser )进行了测量。
(注14 )泵浦与探测法:是用两束光(或粒子束)，用其中一束光(水泵光)照射物质引起物质变化，用另一束光(探测光)测量该变化的方法的总称。 水泵和探测法大多使用光脉冲。 新闻稿正文: PDF文件 |
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