Pham Nam Hai Research Group

アジア太平洋物理学会連合(Association of Asia Pacific Physical Societies；AAPPS)の機関誌であるAAPPS Bulletin12月号（ノーベル物理学賞特集号）オンライン版が公開されました。ノーベル賞関係の記事のほか、本研究成果(Appl. Phys. Lett. 104, 046404 (2014)に関する記事がPhysics Focusで紹介されています。

ノーベル物理学賞特集号の目次

http://aappsbulletin.org/myboard/read.php?id=133&Page=1&Board1=pastlssues&FindIt=&FindText=

Physics Focus: Control of Ferromagnetism by Manipulating the Carrier Wavefunction in N-Type Ferromagnetic Semiconductor (In, Fe)As Quantum Wells
http://aappsbulletin.org/myboard/read.php?id=61&Page=1&Board=focus&FindIt=&FindText=

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下記の発表が2014年応用物理学会秋季学術講演会の「講演奨励賞」を受賞しました！

[20a-S10-8] Enhancement of ferromagnetism by manipulating the wavefunctions in n-type ferromagnetic semiconductor (In,Fe)As quantum wells
○Duc Anh Le，Nam Hai Pham，笠原裕一，岩佐義宏，田中雅明

本発表では、(In,Fe)As量子井戸において、電子の波動関数とFeスピンの重なりを電界効果を使って制御し、従来の手法よりも二桁以上少ない電子濃度でキュリー温度を増大させることに成功しました。本研究の手法が超高速かつ超低消費電力の磁化スイッチング技術として期待できます。

図1. キュリー温度のゲート電圧依存性。ゼロ電圧では、波動関数と(In,Fe)As層の重なりが小さいため、キュリー温度が27 K程度と小さい。しかし、2 Vのゲート電圧を印加して、波動関数のピークと(In,Fe)Asの位置を合わせると、キュリー温度が35 Kまで急増した。さらに大きいゲート電圧を印加すると、波動関数のピークが(In,Fe)Asの位置を過ぎたため、キュリー温度が減ったことが分かる。また、チャンネルの電子シート濃度がほんとど変わらないことが分かる。電子シート濃度が10¹¹ cm^-2しか変化しないにもかかわらず、8 Kのキュリー温度の変調ができた。ちなみに、従来の技術では、10¹³ ~ 10¹⁴ cm^-2程度のシート濃度の変化がないとキュリー温度が変調できない。

では、なぜ従来の技術では、我々のように波動関数制御による強磁性変調ができないでしょうか？それは従来の強磁性半導体や強磁性金属薄膜においてキャリアの移動度が低くて、キャリアのcoherencyが小さいため、フェルミレベルにおける量子サイズ効果が発現しないためです。たとえば、GaMnAsの超薄膜の電界印加実験では、3次元モデルを使って、解析すると、実験データをよく再現できます。つまり、GaMnAsは非常に薄い膜にしても、やはり3次元の材料として振る舞いを示します。それに対して、ファム准教授が開発したInFeAsでは、最大40nm幅の量子井戸でも量子サイズ効果を観測できました。つまり、InFeAsは非常に高い電子のcoherencyを有することが分かります。従って、今回のように、電子の波動関数を制御できて、効率よく強磁性を変調することができます。今回の成果はまさに、「強磁性半導体」ならではの成果だと言えます。

マイアミ大学の物理学科のS.E.Barnes教授が当研究室を訪問しました。Barnes教授は強磁性細線におけるスピントルクによる磁壁移動の理論[Phys. Rev. Lett. 95, 107204 (2005)]、スピン起電力の理論的な予測[Phys. Rev. Lett. 98, 246601 (2007)]、また最近に話題になっている電界印加による磁化制御の新しいメカニズムの提言[Scientific Reports 4, 4105 (2014)]など、日本原子力研究開発機構先端基礎研究センター長　前川 禎通先生と共同研究で多くの成果をあげておられます。また、Barnes教授による特別セミナを開催しました。

Title: Rashba spin-orbit coupling in spintronics

Stewart E. Barnes

Univeristy of Miami and JAEA

Abstract: I will describe how the Rashba spin-orbit coupling can be used for the electrical control of magnetism. It is also important in the “chiral spin-torque transfer process” as recently observed experimentally. This coupling to magnetism to electric fields also leads to spin dependent forces, i.e., to a spin-motive forces (SMF). I will give and introduction to the theory and the application to experiment.

時間：2014月11月17日、13:30~15:00

場所：南3号館814号室

Pham准教授は2014 Tokyo Tech-TsingHua Univ. joint Symposium on Advanced Materials (2014/11/14-15)で下記の発表を行った。

Electron-induced ferromagnetism in Fe-doped semiconductors

新しい鉄系強磁性半導体(Ga,Fe)Sbの作製に関する論文がApplied Physics Letters誌に掲載されました。

本研究ではGaSbの半導体に最大13.7%のFeを低温分子線エピー法を用いて結晶成長を行い、真性p型強磁性半導体であることを確認しました。今回のp型鉄系強磁性半導体の実現によって、Pham准教授が提言した鉄系強磁性半導体の優越性(n型およびp型が作製可能）を実証した研究成果になります。また、(Ga,Fe)Sbのキュリー温度はすでに140 Kに達し、ナローギャップ強磁性半導体中にもっとも高いキュリー温度を実現しました。（参考：(In,Mn)Asが最大90K, (Ga,Mn)Sbが最大 25 K程度）。

N. T. Tu, P. N. Hai, L. D. Anh, M. Tanaka, “(Ga,Fe)Sb: A p-type ferromagnetic semiconductor”,

Appl. Phys. Lett. 105, 132402 (2014)

(a) 様々なFe濃度における(Ga,Fe)Sbの磁気円二色性(MCD)スペクトル。Fe濃度の増大につれて、GaSbの光学特異点におけるMCDが強くなり、(Ga,Fe)Sbのバンド構造がスピン分裂していることが分かる。(b) Fe濃度13.7%サンプルの異常ホール効果および(c)MCD強度の磁場依存性。強磁性によるヒステレシスが発現していることが分かる。このサンプルのキュリー温度が140 Kに達して、(In,Mn)Asや(Ga,Mn)Sbの最高キュリー温度よりもずっと高い。

MnドープしたGaAsを電極として持つ半導体トンネル接合における室温可視光電界発光に関する研究成果がJournal of Applied Physics誌に掲載されました。今回はGaAs:Be/AlGaAs/GaAs:Mnのトンネル接合において、GaAs:Be電極からバンド間トンネルを介して、AlGaAsの伝導帯に電子を注入し、AlGaAs内の高電界によって電子を加速して、GaAs:Mn中のMn原子d軌道を電気的に励起して発光させることができました。本研究成果は東京大学ナノフォト二クス研究センターの大津・八井研との共同研究の成果です。

P. N. Hai, T. Yatsui, M. Ohtsu, and M. Tanaka, “High-field electroluminescence in semiconductor tunnel junctions with a Mn-doped GaAs layer “,  J. Appl. Phys. 116, 113905 (2014).

2014年春季応用物理学会における下記発表に対して応用物理学会スピントロニクス研究会第1回英語講演奨励賞

Le Duc Anh, Pham Nam Hai, Yuichi Kasahara, Yoshihiro Iwasa, and Masaaki Tanaka, “Electrical control of ferromagnetism in n-type ferromagnetic semiconductor (In,Fe)As quantum wells“, 第61回春季応用物理学会学術講演会, 19p-E7-14, 青山学院大学, 2014年3月17-20日。

本研究で開発した世界唯一のn型電子誘起強磁性半導体(In,Fe)Asの量子井戸をチャンネルとして持つ電界効果トランジスタ構造において、量子化された電子状態の波動関数とFeスピンの重なり具合をゲート電圧で電気的に制御し、強磁性転移温度を効率よく変調したことに成功しました。本研究の「波動関数制御による強磁性変調」という手法は約１０年前に理論的に予測されましたが、我々の研究までにはどこにも実現できませんでした。本研究の成果によって、従来の強磁性変調実験に必要なキャリア面密度の変化量10¹³ ~ 10¹⁴ cm^-2から10¹¹ cm^-2程度に下げることができ、超高速かつ超低消費電力（4～6桁削減）の磁化スイッチング技術として期待できます。

Pham准教授が北海道大学で開催される第75回応用物理学会秋季学術講演会で下記の招待講演を行います。

シンポジウム 「スピントロニクス材料・デバイスの最前線」

[18p-S2-5] (Invited) Room temperature visible-light electroluminescence in Mn doped semiconductors (30min.)

Pham准教授が米国アリゾナ州フラッグスタッフで開催される分子線エピタキシャル技術の国際学会MBE2014で下記の発表を行います。

TuC1-3  “Room-temperature Visible-light Electroluminescence in Light Emitting Diodes with an Epitaxial Mn-doped Si Layer”
P.N. Hai, D. Maruo, L.D. Anh, M. Tanaka