WO2023224062A1 - エネルギー変換素子、起電力発生素子、弾性波検出素子、表面弾性波センサ、スピン流増幅器、および磁気抵抗素子 - Google Patents

エネルギー変換素子、起電力発生素子、弾性波検出素子、表面弾性波センサ、スピン流増幅器、および磁気抵抗素子 Download PDF

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elastic wave
energy conversion
conversion element
electromotive force
ferromagnetic region
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匠 船戸
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慶應義塾
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    • H01F10/08—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers
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    • H01F10/12—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition being metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/82—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of the magnetic field applied to the device
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Definitions

  • the present disclosure relates to an energy conversion element, an electromotive force generation element, an elastic wave detection element, a surface acoustic wave sensor, a spin current amplifier, and a magnetoresistive element.
  • Non-Patent Document 1 discloses a technique for converting surface acoustic waves into DC electromotive force using a sample having a three-layer structure consisting of a copper (Cu) layer, a permalloy (NiFe) layer, and a platinum (Pt) layer. .
  • surface acoustic waves are applied to a copper layer.
  • Surface acoustic waves are converted into electron spins by magnetrotational effects within the copper layer.
  • Electron spin is converted into magnetic waves by sd coupling in the permalloy layer.
  • Spin pumping in the permalloy layer converts magnetic waves into spin currents.
  • the reverse spin Hall effect in the platinum layer converts the spin current into a direct current electromotive force.
  • Non-Patent Document 2 discloses a technique for converting surface acoustic waves into DC electromotive force using a sample having a two-layer structure consisting of a cobalt (Co) layer and a platinum (Pt) layer.
  • surface acoustic waves are applied to the cobalt layer.
  • the magnetoelastic effect in the cobalt layer converts surface acoustic waves into magnetic waves.
  • Spin pumping in the cobalt layer converts magnetic waves into spin currents.
  • the reverse spin Hall effect in the platinum layer converts the spin current into a direct current electromotive force.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 Energy conversion elements that convert surface acoustic waves into electromotive force are known (see Non-Patent Documents 1 and 2). However, the techniques described in Non-Patent Documents 1 and 2 require multiple layers, resulting in a complicated structure.
  • the present disclosure aims to provide an energy conversion element, an electromotive force generation element, an elastic wave detection element, a surface acoustic wave sensor, a spin current amplifier, and a magnetoresistive element that have a simpler structure.
  • the energy conversion element is a ferromagnetic element that receives an elastic wave traveling in a first direction and generates a DC electromotive force caused by the elastic wave in a second direction intersecting the first direction. Includes a body area.
  • the ferromagnetic region of this energy conversion element receives an elastic wave, elastic deformation occurs in the ferromagnetic region, and the magnetization direction changes periodically due to the magnetoelastic effect.
  • the elastic waves cause rotational deformation of the ferromagnetic region, and the direction of conduction electron spins changes periodically due to the magnetorotational effect.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 require the use of platinum (Pt), which is an extremely rare metal, resulting in high costs and problems with stable supply.
  • Pt platinum
  • Ni nickel
  • the ferromagnetic region may have a single composition. In this case, it is possible to have a simpler structure compared to the above [1].
  • the ferromagnetic region may include one or more materials selected from the group consisting of materials exhibiting magnetostriction.
  • Materials exhibiting magnetostriction include nickel (Ni), iron (Fe), and cobalt (Co), and one of nickel (Ni), iron (Fe), and cobalt (Co) and gallium (Ga) and terbium. (Tb), dysprosium (Dy), and samarium (Sm).
  • a ferromagnetic region having a magnetoelastic effect, a magnetorotational effect, and an sd exchange interaction can be suitably realized.
  • the DC electromotive force is caused by the change in magnetization direction caused by the magnetoelastic effect from the elastic deformation of the ferromagnetic region caused by the elastic wave, and the change in the magnetization direction caused by the elastic wave. It may be caused by sd exchange interaction based on the rotational deformation of the ferromagnetic region due to the rotational deformation of the ferromagnetic region and the change in the direction of the conduction electron spin caused by the magnetorotational effect.
  • the ferromagnetic region receives an elastic wave and converts the frequency of the elastic wave in both the first direction and the second direction.
  • An alternating current electromotive force including harmonics may be further generated. Due to the above-mentioned magnetoelastic effect, magnetorotational effect, and sd exchange interaction, in addition to the direct current electromotive force, an alternating current electromotive force containing a double harmonic of the frequency of the elastic wave is generated. Therefore, AC electromotive force can be used in conjunction with DC electromotive force.
  • An electromotive force generating element generates an elastic wave that is received by the energy conversion element of any one of [1] to [5] above and a ferromagnetic region of the energy conversion element.
  • the electromotive force generating element outputs the DC electromotive force generated in the energy conversion element.
  • This electromotive force generating element can have a simple structure by including any one of the energy conversion elements of [1] to [5] above.
  • An elastic wave detection element includes an energy conversion element according to any one of [1] to [5] above, a measurement unit that measures DC electromotive force generated in the energy conversion element, Equipped with.
  • the elastic wave detection element detects elastic waves received by the ferromagnetic region of the energy conversion element based on DC electromotive force.
  • This elastic wave detection element can have a simple structure by including any one of the energy conversion elements of [1] to [5] above.
  • a surface acoustic wave sensor includes an energy conversion element according to any one of [1] to [5] above, a measurement unit that measures DC electromotive force generated in the energy conversion element, An elastic wave generation section that generates elastic waves received by the ferromagnetic region of the energy conversion element, and an energy conversion element and the elastic wave generation section are mounted on the main surface, and the elastic wave is converted into energy from the elastic wave generation section on the main surface.
  • a spin current amplifier includes a spin current circuit section that is connected to a spin current source that generates a spin current and that propagates the spin current, and any one of the above [1] to [5].
  • the energy conversion element is arranged on the spin current circuit section so that the propagation direction of the spin current intersects the second direction, and supplies a spin polarized current to the spin current circuit section;
  • the size of the spin current flowing through the elastic wave generation section that generates elastic waves received by the ferromagnetic region of the conversion element and the spin current circuit section is detected, and as the size of the spin current increases, the ferromagnetic region increases.
  • the apparatus further includes a control section that controls the frequency, amplitude, or both of the elastic waves in the elastic wave generation section so that the frequency, amplitude, or both of the received elastic waves are increased.
  • This spin current amplifier can have a simple structure by including any one of the energy conversion elements of [1] to [5] above.
  • a magnetoresistive element according to an embodiment of the present disclosure is arranged in a second direction with respect to the energy conversion element according to any one of [1] to [5] above and a ferromagnetic region of the energy conversion element. and a free layer containing a ferromagnetic material, the direction of magnetization of which is rotated by receiving a spin-polarized current from a ferromagnetic material region.
  • This magnetoresistive element can have a simple structure by including any one of the energy conversion elements of [1] to [5] above.
  • an energy conversion element an electromotive force generating element, an elastic wave detection element, a surface acoustic wave sensor, a spin current amplifier, and a magnetoresistive element that have a simpler structure and can use materials that can be stably supplied. can be provided.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an energy conversion element according to a first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the inside of a ferromagnetic region when receiving elastic waves.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the mechanism by which an elastic wave is converted into a DC electromotive force in a ferromagnetic region.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the angle of the magnetic vector shown in FIG. 2 and the magnitude of each of the DC electromotive force in the Z direction, the AC electromotive force in the X direction, and the AC electromotive force in the Z direction.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the angle of the magnetic vector shown in FIG. 2 and the magnitude of AC electromotive force in each of the X direction and the Z direction.
  • FIG. 6 is a perspective view showing a spin current amplifier according to a second embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 7 is a perspective view showing a surface acoustic wave sensor according to a third embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 8 is a perspective view showing a magnetoresistive element according to a fourth embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 9 is a perspective view showing an electromotive force generating element according to a fifth embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 10 is a perspective view showing an elastic wave detection element according to a sixth embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an energy conversion element 1 according to a first embodiment of the present disclosure.
  • the energy conversion element 1 includes a film-like or layer-like ferromagnetic region 2 having a main surface 2a and a back surface 2b.
  • the main surface 2a and the back surface 2b are flat surfaces, and the back surface 2b is parallel to the main surface 2a.
  • the distance between the main surface 2a and the back surface 2b, that is, the thickness of the ferromagnetic region 2 depends on the constituent material of the ferromagnetic region 2 and the frequency of the elastic wave AW.
  • the thickness of the ferromagnetic region 2 is about 200 nm.
  • an XYZ coordinate system is defined.
  • the X direction is an example of the first direction in this embodiment, and is along the main surface 2a and the back surface 2b.
  • the Y-direction vector intersects the X-direction vector, and in one example is perpendicular to the X-direction vector.
  • the Y direction is along the main surface 2a and the back surface 2b. In other words, the main surface 2a and the back surface 2b are along the XY plane.
  • the Z direction is an example of the second direction in this embodiment.
  • the Z-direction vector intersects the X- and Y-direction vectors, and in one example is orthogonal to the X- and Y-direction vectors.
  • the Z-direction vector intersects the main surface 2a and the back surface 2b, and in one example, the direction of the Z-direction vector matches the direction of the normal vector of the main surface 2a or the back surface 2b. In other words, the Z direction coincides with the thickness direction of the ferromagnetic region 2.
  • the ferromagnetic region 2 receives an elastic wave AW traveling in the X direction from outside the energy conversion element 1 .
  • the frequency of the elastic wave AW is, for example, several hundred MHz or more.
  • the elastic wave AW is, for example, a surface acoustic wave that propagates on the main surface 2a.
  • the ferromagnetic region 2 generates a DC electromotive force VDC in the Z direction due to the elastic wave AW.
  • a spin polarized current SPC is output from the ferromagnetic region 2 along the Z direction due to the DC electromotive force VDC.
  • the spin polarized current SPC is a direct current.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the inside of the ferromagnetic region 2 when receiving the elastic wave AW.
  • FIG. 2 shows a plurality of magnetic vectors M and a plurality of conduction electron spin vectors F that exist inside the ferromagnetic region 2.
  • the plurality of magnetic vectors M and the plurality of conduction electron spin vectors F are arranged in the traveling direction (X direction) of the elastic wave AW.
  • FIG. 2 shows a voltmeter 3a that measures the electromotive force in the thickness direction (Z direction) of the ferromagnetic region 2, and a voltmeter 3b that measures the electromotive force in the traveling direction (X direction) of the elastic wave AW. is shown.
  • the ferromagnetic region 2 is represented by a plurality of surfaces 2c that overlap in the thickness direction. Each of the plurality of surfaces 2c is a set of points inside the ferromagnetic region 2 that are at the same distance from the main surface 2a in a state where the elastic wave AW does not propagate (static state).
  • FIG. 2 shows a magnetic vector m 0 (ie, initial magnetization direction) given in advance to the ferromagnetic region 2.
  • ⁇ 0 the angle between the magnetic vector m 0 projected onto the XY plane and the X-axis
  • ⁇ 0 the angle between the magnetic vector m 0 and the Z-axis
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a mechanism in which an elastic wave AW is converted into a direct current electromotive force VDC in the ferromagnetic region 2.
  • Graph G in the figure represents how the center of gravity P of a certain local region 2d inside the ferromagnetic region 2 moves to the center of gravity P' by the elastic wave AW.
  • the graph G shows only the x1 axis and the x2 axis, but the local region 2d is three-dimensional.
  • the x1 axis is, for example, the X axis.
  • the x2 axis is, for example, the Z axis.
  • the amount of deformation du from the center of gravity position P to the center of gravity position P' is expressed by the following equation (1).
  • the subscript i in the formula represents the direction of change gradient of the deformation amount du
  • the subscript j represents the deformation direction of the deformation amount du.
  • Equation (2) which is the first term on the right side of equation (1), represents the amount of deformation due to elastic deformation (see part B1 in FIG. 3).
  • Equation (3) which is the second term on the right side of Equation (1), represents the amount of deformation due to rotational deformation (see part B2 in FIG. 3).
  • Equation (2) extracts elements that have symmetry from the amount of deformation du
  • Equation (3) extracts elements that have antisymmetry from the amount of deformation du.
  • the elastic deformation of the ferromagnetic region 2 shown in equation (2) and part B1 in FIG. 3 produces a magnetoelastic effect (arrow A1 in FIG. 3).
  • the magnetoelastic effect is an effect in which magnetization changes due to elastic deformation of an object. This magnetoelastic effect changes the direction of the magnetic vector M. Since the magnitude and direction of elastic deformation of the ferromagnetic region 2 change periodically over time, changes in the direction of the magnetic vector M also change periodically over time.
  • the rotational deformation of the ferromagnetic region 2, shown in equation (3) and part B2 in FIG. 3, produces a magnetorotational effect (arrow A2 in FIG. 3).
  • the magnetorotational effect is an effect in which the magnetism of a magnet, that is, the electron spin, is mutually converted into the macroscopic rotational motion of an object.
  • the magnetrotational effect is a universal effect that occurs regardless of the type of material.
  • This magnetic rotation effect changes the direction of the conduction electron spin vector F. Since the rotation angle of the rotational deformation of the ferromagnetic region 2 changes periodically with the passage of time, the change in the direction of the conduction electron spin vector F also changes periodically with the passage of time. The change in the direction of the magnetic vector M and the change in the direction of the conduction electron spin vector F cause an sd exchange interaction (arrow A3 in FIG. 3).
  • the sd exchange interaction is an interaction in which the direction of conduction electron spin and the direction of magnetization are coupled.
  • the sd exchange interaction produces a direct current electromotive force VDC and an alternating current electromotive force.
  • VDC direct current electromotive force
  • alternating current electromotive force the magnitude of the DC electromotive force VDC and the AC electromotive force is proportional to the fourth power of the frequency of the elastic wave AW, and depends on the amplitude of the elastic wave AW.
  • SEMF spin elastodynamic motive force
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the angle ⁇ 0 of the magnetic vector m 0 shown in FIG. 2 and the magnitudes of the DC electromotive force VDC in the Z direction, the AC electromotive force in the X direction, and the AC electromotive force in the Z direction. It is.
  • the horizontal axis represents the angle ⁇ 0 (rad)
  • the vertical axis represents the magnitude of the electromotive force (normalized value).
  • Curve G11 represents the magnitude of DC electromotive force VDC in the Z direction
  • curve G12 represents the magnitude of AC electromotive force in the X direction
  • curve G13 represents the magnitude of AC electromotive force in the Z direction.
  • the angle ⁇ 0 is set to 0 (rad).
  • the DC electromotive force VDC becomes 0 when the angle ⁇ 0 is an even multiple of ⁇ /4 (rad), and reaches an extreme value when the angle ⁇ 0 is an odd multiple of ⁇ /4 (rad).
  • the angle ⁇ 0 is ⁇ /4 (rad)
  • the DC electromotive force VDC becomes a minimum
  • the angle ⁇ 0 is 3 ⁇ /4 (rad)
  • the DC electromotive force VDC becomes a maximum.
  • the angle ⁇ 0 should be any value other than an even multiple of ⁇ /4 (rad); ) is preferably within the range of ⁇ /8 (rad).
  • the AC electromotive force in the X direction becomes 0 when the angle ⁇ 0 is an even multiple of ⁇ /4 (rad), and reaches a maximum when the angle ⁇ 0 is an odd multiple of ⁇ /4 (rad).
  • the AC electromotive force in the Z direction becomes a minimum when the angle ⁇ 0 is an even multiple of ⁇ /4 (rad), and becomes a maximum when the angle ⁇ 0 is an odd multiple of ⁇ /4 (rad). From this, in order to generate an AC electromotive force in the ferromagnetic region 2, the angle ⁇ 0 is preferably a value other than an even multiple of ⁇ /4 (rad).
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the angle ⁇ 0 of the magnetic vector m 0 shown in FIG. 2 and the magnitude of the AC electromotive force in the X direction and the Z direction, respectively.
  • the horizontal axis represents the angle ⁇ 0 (rad)
  • the vertical axis represents the magnitude (normalized value) of the electromotive force.
  • Curve G22 represents the magnitude of AC electromotive force in the X direction
  • curve G23 represents the magnitude of AC electromotive force in the Z direction.
  • the angle ⁇ 0 is ⁇ /2 (rad).
  • the AC electromotive force in each of the X and Z directions varies depending on the angle ⁇ 0 .
  • the angle ⁇ 0 is an odd multiple of ⁇ /2 (rad)
  • the AC electromotive force in each of the X direction and the Z direction becomes 0.
  • the angle ⁇ 0 is preferably a value other than an odd multiple of ⁇ /2 (rad).
  • the constituent material of the ferromagnetic region 2 is not limited to a special material, as long as it has ferromagnetism and causes the above-mentioned magnetoelastic effect, magnetorotational effect, and sd exchange interaction.
  • the ferromagnetic region 2 may include one or more materials selected from the group consisting of a plurality of materials exhibiting magnetostriction. Materials that exhibit magnetostriction include nickel (Ni), iron (Fe), and cobalt (Co).
  • the plurality of materials exhibiting magnetostriction include one of nickel (Ni), iron (Fe), and cobalt (Co), and gallium (Ga), terbium (Tb), dysprosium (Dy), and samarium (Sm). ).
  • Ni nickel
  • Fe iron
  • Co cobalt
  • Ga gallium
  • Tb terbium
  • Dy dysprosium
  • Sm samarium
  • the ferromagnetic region 2 is made of nickel (Ni)
  • an experimentally observable DC electromotive force VDC for example, a DC electromotive force VDC of about 10 nV can be generated.
  • the ferromagnetic region 2 may have a single composition.
  • the elastic wave AW can be converted into the DC electromotive force VDC using only the single ferromagnetic region 2. Therefore, it is possible to have a simpler structure than, for example, the structures described in Non-Patent Documents 1 and 2 mentioned above.
  • the techniques described in Non-Patent Documents 1 and 2 require the use of platinum (Pt), which is an extremely rare metal, resulting in high costs and, in addition, problems with stable supply.
  • Pt platinum
  • the ferromagnetic region 2 may have a single composition. In this case, it is possible to have an even simpler structure.
  • the ferromagnetic region 2 may receive the elastic wave AW and further generate an alternating current electromotive force including a double harmonic of the frequency of the elastic wave AW in both the X direction and the Z direction.
  • AC electromotive force can be used in conjunction with DC electromotive force VDC.
  • FIG. 6 is a perspective view showing a spin current amplifier 10 according to a second embodiment of the present disclosure.
  • This spin current amplifier 10 includes the energy conversion element 1 of the first embodiment, a piezoelectric substrate 11, an elastic wave generation section 12, a spin current circuit section 13, and a control section 14.
  • the piezoelectric substrate 11 is a substrate having a flat main surface 11a.
  • the main surface 11a of the piezoelectric substrate 11 is made of a piezoelectric material such as quartz, LiNbO 3 , or LiTaO 3 .
  • the piezoelectric substrate 11 may be entirely made of piezoelectric material.
  • the piezoelectric substrate 11 may be formed by forming a piezoelectric film on a substrate that does not have piezoelectricity.
  • the elastic wave generating section 12 is provided on the main surface 11a of the piezoelectric substrate 11, and generates an elastic wave AW on the main surface 11a.
  • the elastic wave generator 12 includes a pair of comb-shaped electrodes (IDT: Interdigital Transducer). These comb-shaped electrodes are arranged opposite to each other so that the tooth portions are interlocked alternately. By applying a voltage between these comb-shaped electrodes, an elastic wave AW is generated on the main surface 11a.
  • This elastic wave AW is a surface acoustic wave.
  • the spin current circuit section 13 is made of a non-magnetic material, is provided on the piezoelectric substrate 11, and is in contact with the main surface 11a of the piezoelectric substrate 11.
  • the spin current circuit section 13 extends in a predetermined direction along the main surface 11 a of the piezoelectric substrate 11 as its longitudinal direction, and one end thereof is connected to the spin current source 15 .
  • the spin current source 15 generates a spin current SC1.
  • the spin current circuit section 13 propagates the spin current SC1 output from the spin current source 15 in the predetermined direction.
  • the spin current circuit section 13 mainly includes metal or semiconductor having a long spin diffusion length.
  • the spin current circuit section 13 may include materials such as copper (Cu), aluminum (Al), and silicon (Si).
  • the spin current circuit section 13 may have a single composition.
  • the propagation direction of the spin current SC1 may or may not match the traveling direction of the elastic wave AW.
  • the energy conversion element 1 is arranged on the spin current circuit section 13 so that the propagation direction of the spin current SC1 in the spin current circuit section 13 intersects the Z direction (see FIG. 1).
  • the ferromagnetic region 2 of the energy conversion element 1 receives the elastic wave AW propagating on the main surface 11a of the piezoelectric substrate 11 via the spin current circuit section 13. Then, the ferromagnetic region 2 converts the elastic wave AW into a direct current electromotive force VDC by the mechanism described in the first embodiment.
  • the ferromagnetic region 2 supplies a spin polarized current SPC generated by the direct current electromotive force VDC to the spin current circuit section 13.
  • the surface of the ferromagnetic region 2 that is opposite to the surface that contacts (or faces) the spin current circuit section 13 is electrically connected to the spin current circuit section 13 via the electrical wiring 16 .
  • a closed circuit is formed between the ferromagnetic region 2 and the spin current circuit section 13, and it becomes possible for the spin polarized current SPC to flow.
  • the main surface 2a or the back surface 2b of the ferromagnetic region 2 of the energy conversion element 1 is in contact with the spin current circuit section 13.
  • another region for propagating the spin polarized current SPC may be interposed between the spin current circuit section 13 and the ferromagnetic region 2.
  • a spin current SC2 is generated from the spin polarized current SPC flowing into the spin current circuit section 13, and the spin current SC2 is superimposed on the spin current SC1 and flows in the spin current circuit section 13 in the predetermined direction.
  • the control unit 14 detects the magnitude of the spin current SC1 flowing through the spin current circuit unit 13.
  • the control unit 14 controls one or both of the frequency and amplitude of the elastic wave AW in the elastic wave generation unit 12 so that one or both of the frequency and amplitude of the elastic wave AW increases as the magnitude of the spin current SC1 increases.
  • the control unit 14 of this embodiment includes a spin current detection unit 141, an amplifier 142, and a high frequency generator 143.
  • the spin current detection unit 141 is provided in contact with a portion of the spin current circuit portion 13 between the portion connected to the spin current source 15 and the portion in contact with the energy conversion element 1.
  • the distance from the spin current source 15 to the spin current detection section 141 is shorter than the spin diffusion length of the spin current circuit section 13.
  • a sense spin current which is a part of the spin current SC1 flowing through the spin current circuit section 13, branches to the spin current detection section 141.
  • the spin current detection section 141 generates an electrical signal according to the magnitude of the spin current SC1 flowing through the spin current circuit section 13 by converting the sense spin current into an electrical signal.
  • the electrical signal is, for example, a current signal.
  • a signal input terminal of the amplifier 142 is electrically connected to the spin current detection section 141.
  • the amplifier 142 amplifies the electrical signal output from the spin current detection section 141.
  • the amplifier 142 outputs the amplified electrical signal from a signal output terminal.
  • the amplifier 142 is configured by, for example, an amplifier circuit including a transistor.
  • a signal input terminal of the high frequency generator 143 is electrically connected to a signal output terminal of the amplifier 142.
  • High frequency generator 143 receives the amplified electrical signal output from amplifier 142.
  • the high frequency generator 143 generates a high frequency signal having one or both of a frequency and an amplitude depending on the magnitude of the amplified electrical signal.
  • the high frequency generator 143 outputs the high frequency signal from the signal output terminal.
  • High frequency generator 143 includes, for example, a resonant circuit.
  • a signal output end of the high frequency generator 143 is electrically connected to one comb-shaped electrode of the elastic wave generator 12 .
  • the high frequency signal output from the high frequency generator 143 is applied to the comb-shaped electrode.
  • a high frequency voltage is applied between the pair of comb-shaped electrodes of the elastic wave generating section 12.
  • an elastic wave AW having the same frequency as the voltage and an amplitude corresponding to the voltage is output from the elastic wave generator 12.
  • the magnitude of the spin current SC2 supplied from the energy conversion element 1 to the spin current circuit section 13 can be changed according to the magnitude of the spin current SC1. Can be done. That is, the spin current flowing through the spin current circuit section 13 can be amplified.
  • This spin current amplifier 10 can have a simple structure by including the energy conversion element 1 of the first embodiment. In addition, according to this spin current amplifier 10, it is possible to amplify either a DC spin current or an AC spin current. This spin current amplifier 10 can be used, for example, as a non-contact spin current battery.
  • a single combination of the energy conversion element 1 , the elastic wave generation section 12 , and the control section 14 is provided for the spin current circuit section 13 .
  • the present invention is not limited to this configuration, and a plurality of combinations of the energy conversion element 1, the elastic wave generation section 12, and the control section 14 may be arranged side by side along the propagation direction of the spin current. In that case, it becomes possible to propagate the spin current over a longer distance.
  • FIG. 7 is a perspective view showing a surface acoustic wave sensor 20 according to a third embodiment of the present disclosure.
  • the surface acoustic wave sensor 20 includes the energy conversion element 1 of the first embodiment, a piezoelectric substrate 21, an elastic wave generation section 22, a measurement section 23, and a detection film 24.
  • the piezoelectric substrate 21 is a substrate having a flat main surface 21a.
  • the main surface 21a of the piezoelectric substrate 21 is made of a piezoelectric material such as quartz, LiNbO 3 , LiTaO 3 , Si, or GaAs.
  • the piezoelectric substrate 21 may be entirely made of piezoelectric material.
  • the piezoelectric substrate 21 may be formed by forming a piezoelectric film on a substrate that does not have piezoelectricity.
  • the piezoelectric substrate 21 has a region for mounting the energy conversion element 1 and a region for mounting the elastic wave generating section 22 on the main surface 21a.
  • the elastic wave generator 22 is provided on the main surface 21a of the piezoelectric substrate 21.
  • the elastic wave generator 22 generates an elastic wave AW on the main surface 21a.
  • the elastic wave generator 22 may have the same configuration as the elastic wave generator 12 of the second embodiment.
  • the elastic wave AW output from the elastic wave generator 22 is propagated to the ferromagnetic region 2 of the energy conversion element 1 on the main surface 21a.
  • the energy conversion element 1 is arranged on the main surface 21a of the piezoelectric substrate 21.
  • the ferromagnetic region 2 of the energy conversion element 1 receives an elastic wave AW propagating through the main surface 21a of the piezoelectric substrate 21.
  • the ferromagnetic region 2 converts the elastic wave AW into a direct current electromotive force VDC by the mechanism described in the first embodiment.
  • the main surface 2 a or the back surface 2 b of the ferromagnetic region 2 of the energy conversion element 1 is in contact with the main surface 21 a of the piezoelectric substrate 21 .
  • another region that transmits the elastic wave AW may be interposed between the main surface 21a of the piezoelectric substrate 21 and the ferromagnetic region 2.
  • the measurement unit 23 measures the DC electromotive force VDC generated in the energy conversion element 1.
  • the measuring unit 23 is, for example, a voltmeter that measures the voltage between the main surface 2a and the back surface 2b.
  • the sensing film 24 is a film formed on the main surface 21a of the piezoelectric substrate 21 in close contact with the main surface 21a.
  • the sensing film 24 is arranged between the energy conversion element 1 and the elastic wave generating section 22, that is, on the propagation path of the elastic wave AW.
  • the sensing film 24 changes the propagation speed, that is, the frequency, of the elastic wave AW depending on the type of gas or liquid adsorbed on the sensing film 24 .
  • an elastic wave AW having a predetermined frequency is output from the elastic wave generator 22.
  • the elastic wave AW passes through the detection film 24 and reaches the energy conversion element 1 .
  • the energy conversion element 1 generates a DC electromotive force according to the frequency of the elastic wave AW.
  • the magnitude of the DC electromotive force is measured by the measurement unit 23.
  • the propagation speed (frequency) of the elastic wave AW changes depending on the type of the adsorbed gas or liquid. That is, depending on the type of adsorbed gas or liquid, the magnitude of the DC electromotive force in the energy conversion element 1 changes, and the magnitude of the voltage measured by the measurement unit 23 changes. Based on the degree of change in the magnitude of this voltage, the type of gas or liquid adsorbed on the detection film 24 can be determined.
  • the surface acoustic wave sensor 20 of this embodiment described above can have a simple structure by including the energy conversion element 1 of the first embodiment.
  • the energy conversion element 1 can directly convert the elastic wave AW into an electrical signal, the response time is faster compared to conventional methods, such as methods that detect elastic waves using a receiver such as an antenna. can do.
  • the high frequency signal applied to the comb-shaped electrodes of the elastic wave generator 22 may be supplied from outside the surface acoustic wave sensor 20 via capacitive coupling or inductive coupling. Therefore, according to the surface acoustic wave sensor 20 of this embodiment, it is possible to realize a non-contact sensor that does not require direct connection of external power wiring to the sensor. According to the surface acoustic wave sensor 20, various types of gases or liquids can be detected without considering the resonant frequency of the receiver, compared to the conventional method of detecting elastic waves using a receiver such as an antenna. be able to.
  • FIG. 8 is a perspective view showing a magnetoresistive element 30 according to a fourth embodiment of the present disclosure.
  • the magnetoresistive element 30 includes the energy conversion element 1 of the first embodiment, a pinned layer 31, an intermediate layer 32, a free layer 33, electrodes 34 and 35, and an elastic wave generator 36.
  • the pinned layer 31 is made of ferromagnetic material.
  • the coercive force of the pinned layer 31 is large, and the magnetization direction of the pinned layer 31 is fixed.
  • the pinned layer 31 is arranged in the Z direction with respect to the ferromagnetic region 2 of the energy conversion element 1.
  • the pinned layer 31 allows the spin polarized current SPC output from the ferromagnetic region 2 to pass therethrough.
  • the pinned layer 31 has a surface facing the main surface 2a or the back surface 2b of the ferromagnetic region 2 of the energy conversion element 1. In one example, the pinned layer 31 is in contact with the main surface 2a or the back surface 2b.
  • the magnetization direction of the pinned layer 31 intersects with the Z direction which is the generation direction of the DC electromotive force VDC in the ferromagnetic region 2, that is, the output direction of the spin polarized current SPC.
  • the pinned layer 31 may be omitted.
  • the intermediate layer 32 is provided at a position sandwiching the pinned layer 31 between the intermediate layer 32 and the ferromagnetic region 2 .
  • the intermediate layer 32 may be in contact with the surface of the pinned layer 31 that is opposite to the surface facing the ferromagnetic region 2 .
  • the intermediate layer 32 is provided adjacent to the ferromagnetic region 2.
  • the intermediate layer 32 has insulating properties and mainly contains, for example, an inorganic oxide.
  • intermediate layer 32 primarily includes nonmagnetic metal.
  • the free layer 33 is made of ferromagnetic material.
  • the coercive force of the free layer 33 is small, and the magnetization direction of the free layer 33 can be easily rotated.
  • the free layer 33 is arranged in the Z direction with respect to the ferromagnetic region 2 of the energy conversion element 1.
  • Free layer 33 sandwiches pinned layer 31 and intermediate layer 32 with ferromagnetic region 2 .
  • Free layer 33 receives spin-polarized current SPC output from ferromagnetic region 2 via pinned layer 31 and intermediate layer 32 .
  • the magnetization direction of the free layer 33 is rotated by receiving the spin polarized current SPC.
  • the magnetization direction of the free layer 33 is controlled to have an angle with respect to the magnetization direction of the pinned layer 31 according to the magnitude of the spin polarized current SPC.
  • Free layer 33 has a surface facing intermediate layer 32 . In one example, free layer 33 contacts intermediate layer 32 .
  • a material with high spin polarization such as a Heusler alloy is used, for
  • the electrode 34 is connected to the pin layer 31.
  • the electrode 34 is in contact with a side surface (a surface along the Z direction) of the pinned layer 31. Thereby, the electrode 34 can be connected to the pinned layer 31 while avoiding the energy conversion element 1 and the intermediate layer 32.
  • Electrode 35 is connected to free layer 33.
  • the electrode 35 is provided on the surface of the free layer 33 that is opposite to the surface that faces the intermediate layer 32 .
  • the electrode 35 may be electrically connected to a reference potential line (ground potential line) and set to the reference potential (ground potential).
  • the elastic wave generator 36 generates an elastic wave AW that is received by the ferromagnetic region 2 of the energy conversion element 1.
  • the elastic wave generator 36 can have, for example, the same configuration as the elastic wave generator 12 of the second embodiment. Also in this embodiment, the energy conversion element 1 and the elastic wave generation section 36 may be provided on a piezoelectric substrate (not shown).
  • the magnetoresistive element 30 of this embodiment when the elastic wave AW is output from the elastic wave generating section 36, the ferromagnetic region 2 of the energy conversion element 1 receives the elastic wave AW and generates a direct current electromotive force VDC.
  • a spin polarized current SPC is output from the ferromagnetic region 2 by the direct current electromotive force VDC.
  • the spin-polarized current SPC reaches the free layer 33 through the pinned layer 31 and the intermediate layer 32 and controls the magnetization direction of the free layer 33.
  • the element resistance of the magnetoresistive element 30, that is, the magnitude of the resistance between the pinned layer 31 and the free layer 33 depends on the relationship between the magnetization direction of the pinned layer 31 and the magnetization direction of the free layer 33.
  • the intermediate layer 32 is an insulating layer, this dependence is due to the tunnel magnetoresistive effect.
  • the intermediate layer 32 is a nonmagnetic layer, this dependence is due to the cross-plane current giant magnetoresistive (CCP-GMR) effect.
  • CCP-GMR cross-plane current giant magnetoresistive
  • the magnetoresistive element 30 is used as a sensor for detecting elastic waves AW, the magnetization direction of the free layer 33 is aligned with the magnetization direction of the pinned layer 31 by measuring the voltage value between the electrodes 34 and 35. It is possible to detect what kind of relative angle the object has with respect to the object.
  • the magnetization direction of the free layer 33 can be determined to be parallel or opposite to the magnetization direction of the pinned layer 31 by measuring the voltage value between the electrodes 34 and 35. It is possible to detect which one is parallel.
  • the magnetoresistive element 30 of this embodiment described above can have a simple structure by including the energy conversion element 1 of the first embodiment.
  • the high frequency signal supplied to the elastic wave generator 36 may be supplied from outside the magnetoresistive element 30 via capacitive coupling or inductive coupling. Therefore, according to the magnetoresistive element 30 of this embodiment, it is possible to realize a non-contact magnetoresistive element that does not require direct connection of external power supply wiring to the magnetoresistive element.
  • FIG. 9 is a perspective view showing an electromotive force generating element 40 according to a fifth embodiment of the present disclosure.
  • the electromotive force generating element 40 includes the energy conversion element 1 of the first embodiment and an elastic wave generating section 41.
  • the elastic wave generator 41 generates an elastic wave AW that is received by the ferromagnetic region 2 of the energy conversion element 1 .
  • the elastic wave generator 41 can have a configuration similar to that of the elastic wave generator 12 of the second embodiment, for example.
  • the energy conversion element 1 and the elastic wave generation section 41 may be provided on a piezoelectric substrate (not shown).
  • the ferromagnetic region 2 of the energy conversion element 1 receives the elastic wave AW and generates a DC electromotive force VDC and an AC electromotive force.
  • This electromotive force generating element 40 outputs one or both of a DC electromotive force VDC and an AC electromotive force to the outside.
  • the electromotive force generating element 40 of this embodiment can have a simple structure by including the energy conversion element 1 of the first embodiment.
  • FIG. 10 is a perspective view showing an elastic wave detection element 50 according to a sixth embodiment of the present disclosure.
  • the elastic wave detection element 50 includes the energy conversion element 1 of the first embodiment and a measurement section 51.
  • the measurement unit 51 measures the DC electromotive force VDC generated in the energy conversion element 1 .
  • the elastic wave detection element 50 detects the frequency of the elastic wave AW received by the ferromagnetic region 2 of the energy conversion element 1 based on the DC electromotive force VDC.
  • the elastic wave detection element 50 of this embodiment can have a simple structure by including the energy conversion element 1 of the first embodiment.
  • SYMBOLS 1 Energy conversion element, 2...Ferromagnetic region, 2a...Main surface, 2b...Back surface, 2c...Surface, 2d...Local area, 3a, 3b...Voltmeter, 10...Spin current amplifier, 11, 21...Piezoelectricity Substrate, 11a, 21a... Main surface, 12, 22, 36, 41... Acoustic wave generation section, 13... Spin current circuit section, 14... Control section, 15... Spin current source, 16... Electric wiring, 20... Surface acoustic wave Sensor, 23, 51... Measuring section, 24... Sensing film, 30... Magnetoresistive element, 31... Pin layer, 32... Intermediate layer, 33... Free layer, 34, 35... Electrode, 40...
  • Electromotive force generating element 50... Elastic wave detection element, 141... Spin current detection unit, 142... Amplifier, 143... High frequency generator, AW... Elastic wave, F... Conduction electron spin vector, M, m0 ... Magnetic vector, P, P'... Center of gravity position, SC1, SC2...spin current, SPC...spin polarized current, VDC...DC electromotive force.

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Abstract

エネルギー変換素子は、強磁性体領域を備える。強磁性体領域は、第１方向に進む弾性波を受けて、弾性波に起因する直流起電力を第１方向と交差する第２方向に生じさせる。直流起電力は、弾性波による強磁性体領域の弾性変形から磁気弾性効果によって生じる磁化方向の変化と、弾性波による強磁性体領域の回転変形から磁気回転効果によって生じる伝導電子スピンの向きの変化とに基づくｓ－ｄ交換相互作用によって生じる。

Description

エネルギー変換素子、起電力発生素子、弾性波検出素子、表面弾性波センサ、スピン流増幅器、および磁気抵抗素子
　本開示は、エネルギー変換素子、起電力発生素子、弾性波検出素子、表面弾性波センサ、スピン流増幅器、および磁気抵抗素子に関する。本出願は、２０２２年５月１９日出願の日本出願第２０２２－０８２４０７号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用する。
　非特許文献１は、銅（Ｃｕ）層、パーマロイ（ＮｉＦｅ）層、および白金（Ｐｔ）層からなる３層構造を有するサンプルを用いて、表面弾性波を直流起電力に変換する技術を開示する。この技術では、銅層に表面弾性波が印加される。銅層内における磁気回転効果によって表面弾性波が電子スピンに変換される。パーマロイ層におけるｓ－ｄ結合により電子スピンが磁気の波に変換される。パーマロイ層におけるスピンポンピングによって磁気の波がスピン流に変換される。白金層における逆スピンホール効果によって、スピン流が直流起電力に変換される。
　非特許文献２は、コバルト（Ｃｏ）層および白金（Ｐｔ）層からなる２層構造を有するサンプルを用いて、表面弾性波を直流起電力に変換する技術を開示する。この技術では、コバルト層に表面弾性波が印加される。コバルト層における磁気弾性効果によって表面弾性波が磁気の波に変換される。コバルト層におけるスピンポンピングによって磁気の波がスピン流に変換される。白金層における逆スピンホール効果によって、スピン流が直流起電力に変換される。
Shoma Tateno, Genki Okano, Mamoru Matsuo, and Yukio Nozaki, "Electrical evaluation of the alternating spin current generated via spin-vorticity coupling", American Physical Society, Physical Review B 102, 104406 (2020) M. Weiler et al., "Spin Pumping with Coherent Elastic Waves", American Physical Society, Physical Review Letters 108, 176601 (2012)
　表面弾性波を起電力に変換するエネルギー変換素子が知られている（非特許文献１，２を参照）。しかしながら、非特許文献１，２に記載された技術では、複数の層を必要とするため構造が複雑になる。本開示は、より単純な構造を有するエネルギー変換素子、起電力発生素子、弾性波検出素子、表面弾性波センサ、スピン流増幅器、および磁気抵抗素子を提供することを目的とする。
　［１］本開示の一実施形態に係るエネルギー変換素子は、第１方向に進む弾性波を受けて、弾性波に起因する直流起電力を第１方向と交差する第２方向に生じさせる強磁性体領域を備える。このエネルギー変換素子の強磁性体領域が弾性波を受けると、強磁性体領域に弾性変形が生じ、磁気弾性効果によって磁化方向が周期的に変化する。同時に、弾性波によって強磁性体領域の回転変形が生じ、磁気回転効果によって伝導電子スピンの向きが周期的に変化する。そして、これら磁化方向の変化と、伝導電子スピンの向きの変化とに基づくｓ－ｄ交換相互作用によって、直流起電力が生じる。このように、このエネルギー変換素子によれば、単一の強磁性体領域のみによって弾性波を直流起電力に変換できるので、非特許文献１，２に記載された構造と比較して、より単純な構造を有することができる。
　非特許文献１，２に記載された技術では、極めて希少な金属である白金（Ｐｔ）を使用する必要があるので、高コストであり、加えて安定供給に課題がある。上記［１］のエネルギー変換素子によれば、例えばニッケル（Ｎｉ）といった、白金よりも希少性が低い材料を使用することが可能である。したがって、エネルギー変換素子の低コスト化且つ安定した供給が可能となる。
　［２］上記［１］のエネルギー変換素子において、強磁性体領域は単一の組成を有してもよい。この場合、上記［１］と比較して更に単純な構造を有することができる。
　［３］上記［１］または［２］のエネルギー変換素子において、強磁性体領域は、磁歪を示す材料からなる群から選択される一又は複数の材料を含んでもよい。磁歪を示す材料には、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、及びコバルト（Ｃｏ）、並びに、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、及びコバルト（Ｃｏ）のうち一つとガリウム（Ｇａ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、及びサマリウム（Ｓｍ）のうち一つとの合金が含まれてもよい。この場合、磁気弾性効果、磁気回転効果、およびｓ－ｄ交換相互作用を有する強磁性体領域を好適に実現することができる。
　［４］上記［１］～［３］のうちいずれかのエネルギー変換素子において、直流起電力は、弾性波による強磁性体領域の弾性変形から磁気弾性効果によって生じる磁化方向の変化と、弾性波による強磁性体領域の回転変形から磁気回転効果によって生じる伝導電子スピンの向きの変化とに基づくｓ－ｄ交換相互作用によって生じてもよい。
　［５］上記［１］～［４］のうちいずれかのエネルギー変換素子において、強磁性体領域は、弾性波を受けて、第１方向および第２方向の双方に、弾性波の周波数の二倍高調波を含む交流起電力を更に生じさせてもよい。上述した磁気弾性効果、磁気回転効果、およびｓ－ｄ交換相互作用によって、直流起電力に加え、弾性波の周波数の二倍高調波を含む交流起電力が発生する。したがって、直流起電力と併せて交流起電力を利用することができる。
　［６］本開示の一実施形態に係る起電力発生素子は、上記［１］～［５］のうちいずれかのエネルギー変換素子と、エネルギー変換素子の強磁性体領域が受ける弾性波を発生させる弾性波発生部と、を備える。起電力発生素子は、エネルギー変換素子において生じた直流起電力を出力する。この起電力発生素子は、上記［１］～［５］のうちいずれかのエネルギー変換素子を備えることによって、単純な構造を有することができる。
　［７］本開示の一実施形態に係る弾性波検出素子は、上記［１］～［５］のうちいずれかのエネルギー変換素子と、エネルギー変換素子において生じる直流起電力を測定する測定部と、を備える。弾性波検出素子は、エネルギー変換素子の強磁性体領域が受けた弾性波を直流起電力に基づいて検出する。この弾性波検出素子は、上記［１］～［５］のうちいずれかのエネルギー変換素子を備えることによって、単純な構造を有することができる。
　［８］本開示の一実施形態に係る表面弾性波センサは、上記［１］～［５］のうちいずれかのエネルギー変換素子と、エネルギー変換素子において生じる直流起電力を測定する測定部と、エネルギー変換素子の強磁性体領域が受ける弾性波を発生させる弾性波発生部と、エネルギー変換素子および弾性波発生部を主面上に搭載し、主面において弾性波を弾性波発生部からエネルギー変換素子の強磁性体領域へ伝搬させる基板と、基板の主面上においてエネルギー変換素子と弾性波発生部との間に配置され、吸着したガスまたは液体の種類に応じて弾性波の伝搬速度を変化させる検知膜と、を備える。この表面弾性波センサは、上記［１］～［５］のうちいずれかのエネルギー変換素子を備えることによって、単純な構造を有することができる。
　［９］本開示の一実施形態に係るスピン流増幅器は、スピン流を発生するスピン流源に接続され、スピン流を伝搬するスピン流回路部と、上記［１］～［５］のうちいずれかのエネルギー変換素子であって、スピン流の伝搬方向が第２方向と交差するようにスピン流回路部上に配置され、スピン偏極電流をスピン流回路部に供給するエネルギー変換素子と、エネルギー変換素子の強磁性体領域が受ける弾性波を発生させる弾性波発生部と、スピン流回路部を流れるスピン流の大きさを検知して、スピン流の大きさが大きくなるほど、強磁性体領域が受ける弾性波の周波数、振幅またはその双方が大きくなるように、弾性波発生部における弾性波の周波数、振幅またはその双方を制御する制御部と、を備える。このスピン流増幅器は、上記［１］～［５］のうちいずれかのエネルギー変換素子を備えることによって、単純な構造を有することができる。
　［１０］本開示の一実施形態に係る磁気抵抗素子は、上記［１］～［５］のうちいずれかのエネルギー変換素子と、エネルギー変換素子の強磁性体領域に対して第２方向に配置され、強磁性体領域からスピン偏極電流を受けて磁化の向きが回転する、強磁性体を含むフリー層と、を備える。この磁気抵抗素子は、上記［１］～［５］のうちいずれかのエネルギー変換素子を備えることによって、単純な構造を有することができる。
　本開示によれば、より単純な構造を有し且つ安定供給可能な材料を使用可能なエネルギー変換素子、起電力発生素子、弾性波検出素子、表面弾性波センサ、スピン流増幅器、および磁気抵抗素子を提供できる。
図１は、本開示の第１実施形態に係るエネルギー変換素子を示す斜視図である。 図２は、弾性波を受けているときの強磁性体領域の内部の様子を模式的に示す図である。 図３は、強磁性体領域において弾性波が直流起電力に変換されるメカニズムを説明するための図である。 図４は、図２に示される磁気ベクトルの角度と、Ｚ方向における直流起電力、Ｘ方向における交流起電力、およびＺ方向における交流起電力それぞれの大きさとの関係を示すグラフである。 図５は、図２に示される磁気ベクトルの角度と、Ｘ方向およびＺ方向それぞれにおける交流起電力の大きさとの関係を示すグラフである。 図６は、本開示の第２実施形態に係るスピン流増幅器を示す斜視図である。 図７は、本開示の第３実施形態に係る表面弾性波センサを示す斜視図である。 図８は、本開示の第４実施形態に係る磁気抵抗素子を示す斜視図である。 図９は、本開示の第５実施形態に係る起電力発生素子を示す斜視図である。 図１０は、本開示の第６実施形態に係る弾性波検出素子を示す斜視図である。
　以下、添付図面を参照しながら本開示の実施の形態を詳細に説明する。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。
　［第１実施形態］
　図１は、本開示の第１実施形態に係るエネルギー変換素子１を示す斜視図である。エネルギー変換素子１は、主面２ａおよび裏面２ｂを有する膜状または層状の強磁性体領域２を備える。主面２ａおよび裏面２ｂは平坦面であり、裏面２ｂは主面２ａと平行である。主面２ａと裏面２ｂとの距離、すなわち強磁性体領域２の厚さは、強磁性体領域２の構成材料および弾性波ＡＷの周波数に依存する。一例として、強磁性体領域２がＮｉからなり弾性波ＡＷの周波数が１ＧＨｚである場合、強磁性体領域２の厚さは２００ｎｍ程度である。ここで、ＸＹＺ座標系を定義する。Ｘ方向は、本実施形態における第１方向の例であり、主面２ａおよび裏面２ｂに沿っている。Ｙ方向のベクトルは、Ｘ方向のベクトルと交差し、一例ではＸ方向のベクトルに対して直交する。Ｙ方向は、主面２ａおよび裏面２ｂに沿っている。言い換えると、主面２ａおよび裏面２ｂは、ＸＹ平面に沿っている。Ｚ方向は、本実施形態における第２方向の例である。Ｚ方向のベクトルは、Ｘ方向およびＹ方向の各ベクトルと交差し、一例ではＸ方向およびＹ方向の各ベクトルに対して直交する。Ｚ方向のベクトルは、主面２ａおよび裏面２ｂと交差し、一例ではＺ方向のベクトルの向きは主面２ａまたは裏面２ｂの法線ベクトルの向きと一致する。言い換えると、Ｚ方向は、強磁性体領域２の厚み方向と一致する。強磁性体領域２は、Ｘ方向に進む弾性波ＡＷを、エネルギー変換素子１の外部から受ける。弾性波ＡＷの周波数は、例えば数百ＭＨｚ以上である。弾性波ＡＷは、例えば主面２ａを伝搬する表面弾性波である。強磁性体領域２は、弾性波ＡＷに起因する直流起電力ＶＤＣをＺ方向に生じさせる。そして、強磁性体領域２を含む閉回路が形成された場合、その直流起電力ＶＤＣによって、強磁性体領域２からはＺ方向に沿ってスピン偏極電流ＳＰＣが出力される。スピン偏極電流ＳＰＣは直流電流である。
　図２は、弾性波ＡＷを受けているときの強磁性体領域２の内部の様子を模式的に示す図である。図２には、強磁性体領域２の内部に存在する、複数の磁気ベクトルＭおよび複数の伝導電子スピンベクトルＦが示されている。複数の磁気ベクトルＭおよび複数の伝導電子スピンベクトルＦは、弾性波ＡＷの進行方向（Ｘ方向）に並んでいる。加えて、図２には、強磁性体領域２の厚み方向（Ｚ方向）の起電力を測定する電圧計３ａと、弾性波ＡＷの進行方向（Ｘ方向）の起電力を測定する電圧計３ｂとが示されている。強磁性体領域２は、厚み方向に重なる複数の面２ｃによって表されている。複数の面２ｃそれぞれは、弾性波ＡＷが伝搬しない状態（静止状態）において、主面２ａからの距離が等しい強磁性体領域２の内部の点の集合である。図２には、強磁性体領域２に予め与えられている磁気ベクトルｍ０（すなわち初期の磁化方向）が示されている。以下の説明において、磁気ベクトルｍ０をＸＹ平面に投影したベクトルとＸ軸との成す角をφ０と定義し、磁気ベクトルｍ０とＺ軸との成す角をθ０と定義する。
　図２に示すように、強磁性体領域２が弾性波ＡＷを受けると、磁気ベクトルｍ０と一致していた局所的な磁化方向すなわち磁気ベクトルＭの向きに周期的な変化が現れる。これと同時に、伝導電子スピンベクトルＦの向きにも周期的な変化が現れる。これにより、強磁性体領域２の厚み方向（Ｚ方向）に、直流起電力ＶＤＣ（図１を参照）と、弾性波ＡＷの周波数の二倍高調波を含む交流起電力とが生じる。電圧計３ａでは、これらの直流起電力ＶＤＣおよび交流起電力による電圧が検出される。加えて、弾性波ＡＷの進行方向（Ｘ方向）に、弾性波ＡＷの周波数の二倍高調波を含む交流起電力が生じる。電圧計３ｂでは、この交流起電力による電圧が検出される。
　弾性波ＡＷが起電力に変換されるメカニズムについて、より詳細に説明する。図３は、強磁性体領域２において弾性波ＡＷが直流起電力ＶＤＣに変換されるメカニズムを説明するための図である。図中のグラフＧは、強磁性体領域２の内部における或る局所領域２ｄの重心位置Ｐが、弾性波ＡＷによって重心位置Ｐ’に移動する様子を表している。理解の容易のため、グラフＧはｘ１軸およびｘ２軸のみ表しているが、局所領域２ｄは三次元的である。ｘ１軸は例えばＸ軸である。ｘ２軸は例えばＺ軸である。重心位置Ｐから重心位置Ｐ’への変形量ｄｕは、次の数式（１）によって表される。但し、数式中の添え字ｉは変形量ｄｕの変化勾配方向を表し、添え字ｊは変形量ｄｕの変形方向を表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、数式（１）における右辺第１項である下記の数式（２）は、弾性変形による変形量を表す（図３の部分Ｂ１を参照）。数式（１）における右辺第２項である下記の数式（３）は、回転変形による変形量を表す（図３の部分Ｂ２を参照）。言い換えると、数式（２）は、変形量ｄｕのうち対称性を有する要素を抽出したものであり、数式（３）は、変形量ｄｕのうち反対称性を有する要素を抽出したものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　数式（２）、および図３の部分Ｂ１に示される、強磁性体領域２の弾性変形は、磁気弾性効果を生じさせる（図３の矢印Ａ１）。磁気弾性効果とは、物体の弾性変形によって磁化が変化する効果である。この磁気弾性効果によって、磁気ベクトルＭの向きが変化する。強磁性体領域２の弾性変形の大きさおよび向きは、時間の経過に伴い周期的に変化するので、磁気ベクトルＭの向きの変化もまた、時間の経過に伴い周期的に変化する。数式（３）、および図３の部分Ｂ２に示される、強磁性体領域２の回転変形は、磁気回転効果を生じさせる（図３の矢印Ａ２）。磁気回転効果は、磁石の磁気すなわち電子スピンが物体のマクロな回転運動と相互変換する効果である。磁気回転効果は、物質の種類に依存せず発生する普遍的な効果である。この磁気回転効果によって、伝導電子スピンベクトルＦの向きが変化する。強磁性体領域２の回転変形の回転角度は、時間の経過に伴い周期的に変化するので、伝導電子スピンベクトルＦの向きの変化もまた、時間の経過に伴い周期的に変化する。磁気ベクトルＭの向きの変化と、伝導電子スピンベクトルＦの向きの変化とは、ｓ－ｄ交換相互作用を生じさせる（図３の矢印Ａ３）。ｓ－ｄ交換相互作用は、伝導電子スピンの向きと磁化の向きとが結合する相互作用である。ｓ－ｄ交換相互作用によって、直流起電力ＶＤＣおよび交流起電力が生じる。理論上、直流起電力ＶＤＣおよび交流起電力の大きさは、弾性波ＡＷの周波数の４乗に比例するとともに、弾性波ＡＷの振幅に依存する。以上に説明した、弾性波ＡＷが直流起電力ＶＤＣおよび交流起電力に変換されるメカニズムを、Spin Elastodynamic Motive Force（ＳＥＭＦ）と称することがある。
　図４は、図２に示される磁気ベクトルｍ０の角度θ０と、Ｚ方向における直流起電力ＶＤＣ、Ｘ方向における交流起電力、およびＺ方向における交流起電力それぞれの大きさとの関係を示すグラフである。図４において、横軸は角度θ０（ｒａｄ）を表し、縦軸は起電力の大きさ（規格化値）を表す。曲線Ｇ１１はＺ方向における直流起電力ＶＤＣの大きさを表し、曲線Ｇ１２はＸ方向における交流起電力の大きさを表し、曲線Ｇ１３はＺ方向における交流起電力の大きさを表す。このグラフにおいては角度φ０を０（ｒａｄ）としている。図４に示されるように、直流起電力ＶＤＣは、角度θ０がπ／４（ｒａｄ）の偶数倍である場合に０となり、π／４（ｒａｄ）の奇数倍である場合に極値をとる。例えば、角度θ０がπ／４（ｒａｄ）である場合に直流起電力ＶＤＣは極小となり、角度θ０が３π／４（ｒａｄ）である場合に直流起電力ＶＤＣは極大となる。このことから、強磁性体領域２において直流起電力ＶＤＣを生じさせるためには、角度θ０はπ／４（ｒａｄ）の偶数倍を除く他の値であるとよく、（π／４（ｒａｄ）の奇数倍）±π／８（ｒａｄ）の範囲内であると尚よい。Ｘ方向における交流起電力は、角度θ０がπ／４（ｒａｄ）の偶数倍である場合に０となり、π／４（ｒａｄ）の奇数倍である場合に極大となる。Ｚ方向における交流起電力は、角度θ０がπ／４（ｒａｄ）の偶数倍である場合に極小となり、π／４（ｒａｄ）の奇数倍である場合に極大となる。このことから、強磁性体領域２において交流起電力を生じさせるためには、角度θ０はπ／４（ｒａｄ）の偶数倍を除く他の値であるとよい。
　図５は、図２に示される磁気ベクトルｍ０の角度φ０と、Ｘ方向およびＺ方向それぞれにおける交流起電力の大きさとの関係を示すグラフである。図５において、横軸は角度φ０（ｒａｄ）を表し、縦軸は起電力の大きさ（規格化値）を表す。曲線Ｇ２２はＸ方向における交流起電力の大きさを表し、曲線Ｇ２３はＺ方向における交流起電力の大きさを表す。このグラフにおいて角度θ０はπ／２（ｒａｄ）である。図５に示されるように、Ｘ方向およびＺ方向それぞれにおける交流起電力は、角度φ０に応じて変動する。例えば、角度φ０がπ／２（ｒａｄ）の奇数倍である場合に、Ｘ方向およびＺ方向それぞれにおける交流起電力は０となる。このことから、強磁性体領域２において交流起電力を生じさせるためには、角度φ０はπ／２（ｒａｄ）の奇数倍を除く他の値であるとよい。
　強磁性体領域２の構成材料は、強磁性を有し、且つ上述した磁気弾性効果、磁気回転効果およびｓ－ｄ交換相互作用を生じさせるものであればよく、特別な材料に限定されない。例えば、強磁性体領域２は、磁歪を示す複数の材料からなる群から選択される一又は複数の材料を含んでもよい。磁歪を示す複数の材料には、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、及びコバルト（Ｃｏ）が含まれる。更に、磁歪を示す複数の材料には、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、及びコバルト（Ｃｏ）のうち一つと、ガリウム（Ｇａ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、及びサマリウム（Ｓｍ）のうち一つとの合金が含まれる。強磁性体領域２がニッケル（Ｎｉ）からなる場合、実験的に観測可能な直流起電力ＶＤＣ、例えば１０ｎＶ程度の直流起電力ＶＤＣを生じ得る。強磁性体領域２は、単一の組成を有してもよい。
　以上に説明したように、本実施形態のエネルギー変換素子１によれば、単一の強磁性体領域２のみによって弾性波ＡＷを直流起電力ＶＤＣに変換できる。したがって、例えば前述した非特許文献１，２に記載された構造と比較して、より単純な構造を有することができる。非特許文献１，２に記載された技術では、極めて希少な金属である白金（Ｐｔ）を使用する必要があるので、高コストであり、加えて安定供給に課題がある。本実施形態のエネルギー変換素子１によれば、例えばニッケル（Ｎｉ）といった、白金よりも希少性が低い材料を使用することが可能である。したがって、エネルギー変換素子の低コスト化且つ安定した供給が可能となる。
　上述したように、強磁性体領域２は単一の組成を有してもよい。この場合、更に単純な構造を有することができる。
　上述したように、強磁性体領域２は、弾性波ＡＷを受けて、Ｘ方向およびＺ方向の双方に、弾性波ＡＷの周波数の二倍高調波を含む交流起電力を更に生じさせてもよい。この場合、直流起電力ＶＤＣと併せて交流起電力を利用することができる。
　［第２実施形態］
　図６は、本開示の第２実施形態に係るスピン流増幅器１０を示す斜視図である。このスピン流増幅器１０は、第１実施形態のエネルギー変換素子１と、圧電性基板１１と、弾性波発生部１２と、スピン流回路部１３と、制御部１４と、を備える。
　圧電性基板１１は、平坦な主面１１ａを有する基板である。圧電性基板１１の主面１１ａは、例えば水晶、ＬｉＮｂＯ３、またはＬｉＴａＯ３といった圧電性材料からなる。圧電性基板１１は、その全体が圧電性材料から成ってもよい。または、圧電性基板１１は、圧電性を有しない基板の上に圧電性の膜が形成されて成ってもよい。
　弾性波発生部１２は、圧電性基板１１の主面１１ａ上に設けられ、主面１１ａに弾性波ＡＷを発生させる。弾性波発生部１２は、一対の櫛型電極（ＩＤＴ：Interdigital Transducer）を含む。これらの櫛型電極は、歯の部分で互い違いに組み合うようにして対向配置される。これらの櫛型電極の間に電圧が印加されることによって、弾性波ＡＷが主面１１ａに発生する。この弾性波ＡＷは、表面弾性波である。
　スピン流回路部１３は、非磁性体からなり、圧電性基板１１上に設けられ、圧電性基板１１の主面１１ａに接する。スピン流回路部１３は、圧電性基板１１の主面１１ａに沿った所定方向を長手方向として延在しており、その一端はスピン流源１５と接続されている。スピン流源１５は、スピン流ＳＣ１を発生する。スピン流回路部１３は、スピン流源１５から出力されたスピン流ＳＣ１を前記所定方向に伝搬する。スピン流回路部１３は、スピン拡散長が長い金属または半導体を主に含む。スピン流回路部１３は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）といった材料を含んでもよい。スピン流回路部１３は、単一の組成を有してもよい。スピン流ＳＣ１の伝搬方向は、弾性波ＡＷの進行方向と一致していてもよく、一致していなくてもよい。
　エネルギー変換素子１は、スピン流回路部１３におけるスピン流ＳＣ１の伝搬方向がＺ方向（図１を参照）と交差するように、スピン流回路部１３上に配置されている。エネルギー変換素子１の強磁性体領域２は、圧電性基板１１の主面１１ａを伝搬する弾性波ＡＷを、スピン流回路部１３を介して受ける。そして、強磁性体領域２は、第１実施形態において説明したメカニズムによって弾性波ＡＷを直流起電力ＶＤＣに変換する。強磁性体領域２は、その直流起電力ＶＤＣによって発生するスピン偏極電流ＳＰＣをスピン流回路部１３へ供給する。強磁性体領域２のスピン流回路部１３と接する（または対向する）面とは反対側の面は、電気配線１６を介してスピン流回路部１３と電気的に接続されている。これにより、強磁性体領域２とスピン流回路部１３との間で閉回路が形成され、スピン偏極電流ＳＰＣが流れることが可能になる。
　一実施例では、エネルギー変換素子１の強磁性体領域２の主面２ａまたは裏面２ｂがスピン流回路部１３と接する。或いは、スピン流回路部１３と強磁性体領域２との間に、スピン偏極電流ＳＰＣを伝搬させる別の領域が介在してもよい。スピン流回路部１３に流れ込んだスピン偏極電流ＳＰＣからスピン流ＳＣ２が生じ、そのスピン流ＳＣ２が、スピン流ＳＣ１に重畳されてスピン流回路部１３内を前記所定方向に流れる。
　制御部１４は、スピン流回路部１３を流れるスピン流ＳＣ１の大きさを検知する。制御部１４は、スピン流ＳＣ１の大きさが大きくなるほど、弾性波ＡＷの周波数及び振幅の一方または双方が大きくなるように、弾性波発生部１２における弾性波ＡＷの周波数及び振幅の一方または双方を制御する。そのために、本実施形態の制御部１４は、スピン流検出部１４１と、増幅器１４２と、高周波発生器１４３と、を有する。
　スピン流検出部１４１は、スピン流回路部１３のうち、スピン流源１５に接続されている部分と、エネルギー変換素子１に接している部分との間の部分に接触して設けられている。スピン流源１５からスピン流検出部１４１までの距離は、スピン流回路部１３のスピン拡散長よりも短い。スピン流検出部１４１へは、スピン流回路部１３を流れるスピン流ＳＣ１の一部であるセンススピン流が分岐する。スピン流検出部１４１は、そのセンススピン流を電気信号に変換することによって、スピン流回路部１３を流れるスピン流ＳＣ１の大きさに応じた電気信号を生成する。電気信号は、例えば電流信号である。
　増幅器１４２の信号入力端は、スピン流検出部１４１と電気的に接続されている。増幅器１４２は、スピン流検出部１４１から出力された電気信号を増幅する。増幅器１４２は、増幅後の電気信号を信号出力端から出力する。増幅器１４２は、例えばトランジスタを含む増幅回路によって構成される。
　高周波発生器１４３の信号入力端は、増幅器１４２の信号出力端と電気的に接続されている。高周波発生器１４３は、増幅器１４２から出力された増幅後の電気信号を受ける。高周波発生器１４３は、その増幅後の電気信号の大きさに応じた、周波数及び振幅の一方または双方を有する高周波信号を生成する。高周波発生器１４３は、その高周波信号を信号出力端から出力する。高周波発生器１４３は、例えば共振回路を含む。高周波発生器１４３の信号出力端は弾性波発生部１２の一方の櫛型電極と電気的に接続されている。高周波発生器１４３から出力された高周波信号は、その櫛型電極に印加される。これにより、弾性波発生部１２の一対の櫛型電極の間に高周波の電圧が印加される。そして、その電圧と同じ周波数を有し且つその電圧に応じた振幅を有する弾性波ＡＷが、弾性波発生部１２から出力される。
　以上に説明した本実施形態のスピン流増幅器１０によれば、エネルギー変換素子１からスピン流回路部１３に供給されるスピン流ＳＣ２の大きさを、スピン流ＳＣ１の大きさに応じて変化させることができる。すなわち、スピン流回路部１３を流れるスピン流を増幅することができる。このスピン流増幅器１０は、第１実施形態のエネルギー変換素子１を備えることによって、単純な構造を有することができる。加えて、このスピン流増幅器１０によれば、直流スピン流および交流スピン流のいずれを増幅することも可能である。このスピン流増幅器１０は、例えば非接触スピン流電池として利用され得る。
　図示例では、エネルギー変換素子１、弾性波発生部１２、及び制御部１４の単一の組み合わせがスピン流回路部１３に対して設けられている。この構成に限らず、エネルギー変換素子１、弾性波発生部１２、及び制御部１４の複数の組み合わせが、スピン流の伝搬方向に沿って並んで配置されてもよい。その場合、スピン流をより長い距離にわたって伝搬することが可能になる。
　［第３実施形態］
　図７は、本開示の第３実施形態に係る表面弾性波センサ２０を示す斜視図である。表面弾性波センサ２０は、第１実施形態のエネルギー変換素子１と、圧電性基板２１と、弾性波発生部２２と、測定部２３と、検知膜２４と、を備える。
　圧電性基板２１は、平坦な主面２１ａを有する基板である。圧電性基板２１の主面２１ａは、例えば水晶、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ｓｉ、またはＧａＡｓといった圧電性材料からなる。圧電性基板２１は、その全体が圧電性材料から成ってもよい。または、圧電性基板２１は、圧電性を有しない基板の上に圧電性の膜が形成されて成ってもよい。圧電性基板２１は、エネルギー変換素子１を搭載するための領域と、弾性波発生部２２を搭載するための領域とを、主面２１ａに有する。
　弾性波発生部２２は、圧電性基板２１の主面２１ａ上に設けられる。弾性波発生部２２は、主面２１ａに弾性波ＡＷを発生させる。弾性波発生部２２は、第２実施形態の弾性波発生部１２と同一の構成を有してもよい。弾性波発生部２２から出力された弾性波ＡＷは、主面２１ａにおいてエネルギー変換素子１の強磁性体領域２へ伝搬される。
　エネルギー変換素子１は、圧電性基板２１の主面２１ａ上に配置されている。エネルギー変換素子１の強磁性体領域２は、圧電性基板２１の主面２１ａを伝搬する弾性波ＡＷを受ける。強磁性体領域２は、第１実施形態において説明したメカニズムによって弾性波ＡＷを直流起電力ＶＤＣに変換する。一実施例では、エネルギー変換素子１の強磁性体領域２の主面２ａまたは裏面２ｂが圧電性基板２１の主面２１ａと接する。或いは、圧電性基板２１の主面２１ａと強磁性体領域２との間に、弾性波ＡＷを伝達する別の領域が介在してもよい。
　測定部２３は、エネルギー変換素子１において生じる直流起電力ＶＤＣを測定する。測定部２３は、例えば、主面２ａと裏面２ｂとの間の電圧を測定する電圧計である。
　検知膜２４は、圧電性基板２１の主面２１ａ上に、主面２１ａに密着して形成された膜である。検知膜２４は、エネルギー変換素子１と弾性波発生部２２との間、すなわち弾性波ＡＷの伝搬経路上に配置されている。検知膜２４は、検知膜２４に吸着したガスまたは液体の種類に応じて、弾性波ＡＷの伝搬速度すなわち周波数を変化させる。
　表面弾性波センサ２０においては、弾性波発生部２２から所定の周波数を有する弾性波ＡＷが出力される。弾性波ＡＷは、検知膜２４を通過してエネルギー変換素子１に達する。エネルギー変換素子１は、弾性波ＡＷの周波数に応じた直流起電力を生成する。その直流起電力の大きさは、測定部２３によって測定される。検知膜２４にガスまたは液体が吸着すると、その吸着したガスまたは液体の種類に応じて、弾性波ＡＷの伝搬速度（周波数）が変化する。すなわち、吸着したガスまたは液体の種類に応じて、エネルギー変換素子１における直流起電力の大きさが変化し、測定部２３において測定される電圧の大きさが変化する。この電圧の大きさの変化の程度に基づいて、検知膜２４に吸着したガスまたは液体の種類を判別することができる。
　以上に説明した本実施形態の表面弾性波センサ２０は、第１実施形態のエネルギー変換素子１を備えることによって、単純な構造を有することができる。加えて、エネルギー変換素子１において弾性波ＡＷを電気信号に直接的に変換できるので、従来の方式、例えばアンテナ等の受信機を用いて弾性波を検出する方式と比較して、応答時間を早くすることができる。エネルギー変換素子１において直流起電力ＶＤＣと同時に発生する交流起電力を測定すれば、検知膜２４による弾性波ＡＷの位相変化を周波数変化と併せて測定することができる。
　弾性波発生部２２の櫛型電極に印加される高周波信号は、容量性結合または誘導性結合を介して表面弾性波センサ２０の外部から供給され得る。したがって、本実施形態の表面弾性波センサ２０によれば、外部からの電源配線をセンサに直接接続する必要のない、非接触のセンサを実現することができる。表面弾性波センサ２０によれば、アンテナ等の受信機を用いて弾性波を検出する従来の方式と比較して、受信機の共振周波数を考慮せずに様々な種類のガスまたは液体を検出することができる。
　先の実施形態において述べたように、エネルギー変換素子１において、直流起電力ＶＤＣおよび交流起電力の大きさは、弾性波ＡＷの周波数の４乗に比例する。したがって、本実施形態によれば、高感度の表面弾性波センサを提供できる。
　［第４実施形態］
　図８は、本開示の第４実施形態に係る磁気抵抗素子３０を示す斜視図である。磁気抵抗素子３０は、第１実施形態のエネルギー変換素子１と、ピン層３１と、中間層３２と、フリー層３３と、電極３４，３５と、弾性波発生部３６と、を備える。
　ピン層３１は、強磁性体からなる。ピン層３１の保磁力は大きく、ピン層３１の磁化方向は固定されている。ピン層３１は、エネルギー変換素子１の強磁性体領域２に対してＺ方向に配置される。ピン層３１は、強磁性体領域２から出力されるスピン偏極電流ＳＰＣを通過させる。ピン層３１は、エネルギー変換素子１の強磁性体領域２の主面２ａまたは裏面２ｂと対向する面を有する。一例では、ピン層３１は主面２ａまたは裏面２ｂと接する。ピン層３１の磁化方向は、強磁性体領域２の直流起電力ＶＤＣの発生方向、すなわちスピン偏極電流ＳＰＣの出力方向であるＺ方向と交差する。ピン層３１の構成材料としては、例えばＣｏＰｔまたはＣｏＦｅＢが用いられる。エネルギー変換素子１の強磁性体領域２をピン層として用いる場合には、ピン層３１は無くてもよい。
　中間層３２は、強磁性体領域２との間にピン層３１を間に挟む位置に設けられている。中間層３２は、ピン層３１の強磁性体領域２と対向する面とは反対側の面に接していてもよい。或いは、ピン層３１が省かれる場合には、中間層３２は、強磁性体領域２に隣接して設けられる。一例では、中間層３２は、絶縁性を有し、例えば無機酸化物を主に含む。他の一例では、中間層３２は非磁性金属を主に含む。
　フリー層３３は、強磁性体からなる。フリー層３３の保磁力は小さく、フリー層３３の磁化方向は容易に回転可能である。フリー層３３は、エネルギー変換素子１の強磁性体領域２に対してＺ方向に配置される。フリー層３３は、強磁性体領域２との間にピン層３１および中間層３２を挟む。フリー層３３は、強磁性体領域２から出力されるスピン偏極電流ＳＰＣを、ピン層３１および中間層３２を介して受ける。フリー層３３の磁化方向は、スピン偏極電流ＳＰＣを受けることによって回転する。フリー層３３の磁化方向は、ピン層３１の磁化方向に対してスピン偏極電流ＳＰＣの大きさに応じた角度を有するように制御される。フリー層３３は、中間層３２と対向する面を有する。一例では、フリー層３３は中間層３２と接する。フリー層３３の構成材料としては、例えばホイスラー合金といったスピン偏極率の高い材料が用いられる。
　電極３４は、ピン層３１に接続されている。一例では、電極３４は、ピン層３１の側面（Ｚ方向に沿う面）に接している。これにより、電極３４はエネルギー変換素子１および中間層３２を避けつつピン層３１に接続されることができる。電極３５は、フリー層３３に接続されている。一例では、電極３５は、フリー層３３の中間層３２と対向する面とは反対側の面上に設けられている。電極３５は、基準電位線（グランド電位線）に電気的に接続されて基準電位（グランド電位）に設定されてもよい。
　弾性波発生部３６は、エネルギー変換素子１の強磁性体領域２が受ける弾性波ＡＷを発生させる。弾性波発生部３６は、例えば第２実施形態の弾性波発生部１２と同様の構成を有することができる。本実施形態においても、エネルギー変換素子１および弾性波発生部３６は、図示しない圧電性基板上に設けられてもよい。
　本実施形態の磁気抵抗素子３０において、弾性波発生部３６から弾性波ＡＷが出力されると、エネルギー変換素子１の強磁性体領域２が弾性波ＡＷを受けて直流起電力ＶＤＣを発生させる。直流起電力ＶＤＣにより、スピン偏極電流ＳＰＣが強磁性体領域２から出力される。スピン偏極電流ＳＰＣは、ピン層３１および中間層３２を通ってフリー層３３に達し、フリー層３３の磁化方向を制御する。磁気抵抗素子３０の素子抵抗、すなわちピン層３１とフリー層３３との間の抵抗の大きさは、ピン層３１の磁化方向とフリー層３３の磁化方向との関係に依存する。中間層３２が絶縁層である場合、この依存関係はトンネル磁気抵抗効果に起因する。中間層３２が非磁性層である場合、この依存関係は面直通電型巨大磁気抵抗（ＣＣＰ－ＧＭＲ）効果に起因する。磁気抵抗素子３０が弾性波ＡＷを検出するセンサとして用いられる場合には、電極３４と電極３５との間の電圧値を測定することによって、フリー層３３の磁化方向がピン層３１の磁化方向に対してどのような相対角度を有しているかを検出することができる。磁気抵抗素子３０が磁気メモリとして用いられる場合には、電極３４と電極３５との間の電圧値を測定することによって、フリー層３３の磁化方向がピン層３１の磁化方向に対して平行および反平行のいずれであるかを検出することができる。
　以上に説明した本実施形態の磁気抵抗素子３０は、第１実施形態のエネルギー変換素子１を備えることによって、単純な構造を有することができる。加えて、弾性波発生部３６に供給される高周波信号は、容量性結合または誘導性結合を介して磁気抵抗素子３０の外部から供給され得る。したがって、本実施形態の磁気抵抗素子３０によれば、外部からの電源配線を磁気抵抗素子に直接接続する必要のない、非接触の磁気抵抗素子を実現することができる。加えて、ピン層３１としてスピン偏極率が小さい材料を用いることが可能であり、ピン層３１の材料選択の幅を拡げることができる。
　［第５実施形態］
　図９は、本開示の第５実施形態に係る起電力発生素子４０を示す斜視図である。起電力発生素子４０は、第１実施形態のエネルギー変換素子１と、弾性波発生部４１と、を備える。弾性波発生部４１は、エネルギー変換素子１の強磁性体領域２が受ける弾性波ＡＷを発生させる。弾性波発生部４１は、例えば第２実施形態の弾性波発生部１２と同様の構成を有することができる。本実施形態においても、エネルギー変換素子１および弾性波発生部４１は、図示しない圧電性基板上に設けられてもよい。弾性波発生部４１から弾性波ＡＷが出力されると、エネルギー変換素子１の強磁性体領域２は、弾性波ＡＷを受けて直流起電力ＶＤＣおよび交流起電力を発生させる。この起電力発生素子４０は、直流起電力ＶＤＣおよび交流起電力の一方又は双方を外部へ出力する。本実施形態の起電力発生素子４０は、第１実施形態のエネルギー変換素子１を備えることによって、単純な構造を有することができる。
　［第６実施形態］
　図１０は、本開示の第６実施形態に係る弾性波検出素子５０を示す斜視図である。弾性波検出素子５０は、第１実施形態のエネルギー変換素子１と、測定部５１と、を備える。測定部５１は、エネルギー変換素子１において生じる直流起電力ＶＤＣを測定する。弾性波検出素子５０は、エネルギー変換素子１の強磁性体領域２が受けた弾性波ＡＷの周波数を、直流起電力ＶＤＣに基づいて検出する。本実施形態の弾性波検出素子５０は、第１実施形態のエネルギー変換素子１を備えることによって、単純な構造を有することができる。
　以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は特定の実施形態に限定されるものではない。すなわち、本発明に関して多数存在する実施例の一部を記載したに過ぎず、本発明の目的や課題、あるいは効果を達成できる範囲内であれば、実施例に直接の記載がなくても、種々の変形・変更が可能である。特に、実施例に記載されている複数の構成部あるいは機能については、その組合せの変更、追加または削除が可能である。
　本発明の課題や目的については、「発明が解決しようとしている課題」に総括的に記載しているが、それに限定されるものではなく、実施例の中にも記載されている課題や目的についても、それぞれの発明について有効である。実施例に記載されている効果については、課題あるいは目的の裏返しであるため、そこに課題あるいは目的が直接記載されていなくてもその存在を理解すべきである。
　実施例には課題あるいは目的を達成するための発明が記載されているものの、その達成度については必ずしも１００％である必要はなく、それは発明の構成の組合せに応じて変わるものであり、例え１０％の達成度でも、目的を達成していないとしてその発明が否定されるべきではない。
　１…エネルギー変換素子、２…強磁性体領域、２ａ…主面、２ｂ…裏面、２ｃ…面、２ｄ…局所領域、３ａ，３ｂ…電圧計、１０…スピン流増幅器、１１，２１…圧電性基板、１１ａ，２１ａ…主面、１２，２２，３６，４１…弾性波発生部、１３…スピン流回路部、１４…制御部、１５…スピン流源、１６…電気配線、２０…表面弾性波センサ、２３，５１…測定部、２４…検知膜、３０…磁気抵抗素子、３１…ピン層、３２…中間層、３３…フリー層、３４，３５…電極、４０…起電力発生素子、５０…弾性波検出素子、１４１…スピン流検出部、１４２…増幅器、１４３…高周波発生器、ＡＷ…弾性波、Ｆ…伝導電子スピンベクトル、Ｍ，ｍ０…磁気ベクトル、Ｐ，Ｐ’…重心位置、ＳＣ１，ＳＣ２…スピン流、ＳＰＣ…スピン偏極電流、ＶＤＣ…直流起電力。

Claims (10)

  1. 　第１方向に進む弾性波を受けて、前記弾性波に起因する直流起電力を前記第１方向と交差する第２方向に生じさせる強磁性体領域を備える、エネルギー変換素子。
  2. 　前記強磁性体領域は単一の組成を有する、請求項１に記載のエネルギー変換素子。
  3. 　前記強磁性体領域は、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、及びコバルト（Ｃｏ）、並びにニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、及びコバルト（Ｃｏ）のうち一つとガリウム（Ｇａ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、及びサマリウム（Ｓｍ）のうち一つとの合金からなる群から選択される一又は複数の材料を含む、請求項１に記載のエネルギー変換素子。
  4. 　前記直流起電力は、前記弾性波による前記強磁性体領域の弾性変形から磁気弾性効果によって生じる磁化方向の変化と、前記弾性波による前記強磁性体領域の回転変形から磁気回転効果によって生じる伝導電子スピンの向きの変化とに基づくｓ－ｄ交換相互作用によって生じる、請求項１に記載のエネルギー変換素子。
  5. 　前記強磁性体領域は、前記弾性波を受けて、前記第１方向および前記第２方向の双方に、前記弾性波の周波数の二倍高調波を含む交流起電力を更に生じさせる、請求項１に記載のエネルギー変換素子。
  6. 　請求項１～５のいずれか１項に記載のエネルギー変換素子と、
    　前記エネルギー変換素子の前記強磁性体領域が受ける前記弾性波を発生させる弾性波発生部と、
    　を備え、
    　前記エネルギー変換素子において生じた前記直流起電力を出力する、起電力発生素子。
  7. 　請求項１～５のいずれか１項に記載のエネルギー変換素子と、
    　前記エネルギー変換素子において生じる前記直流起電力を測定する測定部と、
    　を備え、
    　前記エネルギー変換素子の前記強磁性体領域が受けた前記弾性波を前記直流起電力に基づいて検出する、弾性波検出素子。
  8. 　請求項１～５のいずれか１項に記載のエネルギー変換素子と、
    　前記エネルギー変換素子において生じる前記直流起電力を測定する測定部と、
    　前記エネルギー変換素子の前記強磁性体領域が受ける前記弾性波を発生させる弾性波発生部と、
    　前記エネルギー変換素子および前記弾性波発生部を主面上に搭載し、前記主面において前記弾性波を前記弾性波発生部から前記エネルギー変換素子の前記強磁性体領域へ伝搬させる基板と、
    　前記基板の前記主面上において前記エネルギー変換素子と前記弾性波発生部との間に配置され、吸着したガスまたは液体の種類に応じて前記弾性波の伝搬速度を変化させる検知膜と、
    　を備える、表面弾性波センサ。
  9. 　スピン流を発生するスピン流源に接続され、前記スピン流を伝搬するスピン流回路部と、
    　請求項１～５のいずれか１項に記載のエネルギー変換素子であって、前記スピン流の伝搬方向が前記第２方向と交差するように前記スピン流回路部上に配置され、スピン偏極電流を前記スピン流回路部に供給するエネルギー変換素子と、
    　前記エネルギー変換素子の前記強磁性体領域が受ける前記弾性波を発生させる弾性波発生部と、
    　前記スピン流回路部を流れる前記スピン流の大きさを検知して、前記スピン流の大きさが大きくなるほど、前記強磁性体領域が受ける前記弾性波の周波数、振幅またはその双方が大きくなるように、前記弾性波発生部における前記弾性波の周波数、振幅またはその双方を制御する制御部と、
    　を備える、スピン流増幅器。
  10. 　請求項１～５のいずれか１項に記載のエネルギー変換素子と、
    　前記エネルギー変換素子の前記強磁性体領域に対して前記第２方向に配置され、前記強磁性体領域からスピン偏極電流を受けて磁化の向きが回転する、強磁性体を含むフリー層と、
    　を備える、磁気抵抗素子。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012169592A (ja) * 2011-01-28 2012-09-06 Kyushu Institute Of Technology 弾性操作で駆動するスピンデバイス
WO2012121230A1 (ja) * 2011-03-10 2012-09-13 国立大学法人東北大学 音波－スピン流変換素子
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