PATENT Fujiwara Et Al_2013_Electric Current-spin Current Conversion Device

8/13/2019 PATENT Fujiwara Et Al_2013_Electric Current-spin Current Conversion Device

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US 20130154633A11 9 ) United S t a t e s1 2 ) Patent Application Publication 1 0 ) P u b . N o . : US 2 0 1 3 / 0 1 5 4 6 3 3 A 1

F u j i w a r a e t a l . 4 3 ) P u b . D a t e : Jun. 2 0 , 20135 4 ) ELECTRIC CURRENT-SPIN CURRENT P u b l i c a t i o n C l a s s i ? c a t i o n

CONVERSION DEVICE5 1 ) I n t . C l .

G01R 3 / 0 7 2 0 0 6 . 0 1 )( 7 5 ) I n v e n t o r s : K o h e i F u j i w a r a , W a k o - s h i ( J P ) ; H01L 9 / 8 2 2 0 0 6 . 0 1 )Y a s u h i r o Fukuma, a k o - s h i ( J P ) ; Jobu 5 2 ) US, l ,Matsuno, WakO-Shi J P ) ; Yoshichika CPC . . . . . . . . . . . . . G01R 3/0 5 2 0 1 3 . 0 1 ) ; H01L 9/82O t a n i , W a k o - s h i ( J P ) ; H i d e n o r i T a k a g i , 2 0 1 3 , 0 1 )WaKO-Shi J P ) USPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324/251; 3 6 3 / 1 2 3

( 5 7 ) ABSTRACT( 7 3 ) A s s i g n e e : RIKEN, a k o - s h i , S a i t a m a ( J P ) A n l e c t r i c c u r r e n t - s p i n c u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c e a c c o r d i n g

t o t h e i n v e n t i o n p e r f o r m s c o n v e r s i o n between l e c t r i c c u r r e n t2 1 ) A P P 1 - NOJ 1 3 / 8 1 9 , 3 0 7 a n d s p i n c u r r e n t u t i l i z i n g t h e s p i n H a l l e f f e c t o r t h e i n v e r s e

s p i n H a l l e f f e c t o f a 5d r a n s i t i o n m e t a l . A p i n a c c u m u l a t i o n2 2 ) PCT i l e d ? May 3 a 2 0 1 1 a p p a r a t u s a c c o r d i n g o t h e i n v e n t i o n i n c l u d e s a n o n - m a g n e t i c

body n W h i c h i n j e c t e d s p i n s a r e a c c u m u l a t e d a n d a n i n j e c t i o n( 8 6 ) PCT O : P C T / J P 2 0 1 1 / 0 6 1 7 5 2 u n i t t h a t i n j e c t s s p i n s i n t o t h e n o n - m a g n e t i c b o d y , W h e r e i n 3 7 1 O X 1 ) , s a i d i n j e c t i o n u n i t c o m p r i s e s s a i d e l e c t r i c c u r r e n t - s p i n c u r r e n t( 2 ) ( 4 ) D a t e ; Feb 2 6 , 2 0 1 3 c o n v e r s i o n d e v i c e p r o v i d e d o n s a i d n o n - m a g n e t i c b o d y , a n d

an e l e c t r i c poWer source t h a t s u p p l i e s an e l e c t r i c c u r r e n t t o3 0 ) F o r e i g n A p p l i c a t i o n P r i o r i t y Data s a i d e l e c t r i c c u r r e n t - s p i n c u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c e i n s u c h aWay t h a t a s p i n c u r r e n t ?owing t o W a r d s a i d n o n - m a g n e t i cAug. 2 7 , 2010 J P ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2010-191414 body s g e n e r a t e d by t h e s p i n H a l l e f f e c t .

( a )P y 1 d P r - P y pyz

i-i74// /


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P a t e n t A p p l i c a t i o n P u b l i c a t io n J u n . 2 0 , 2013 S h e e t 1 0 f 6 US 2 0 1 3 / 0 1 5 4 6 3 3 A 1

[ F i g . 1 ]

. e 1

62 p


3/15



4/15

P a t e n t A p p l i c a t i o n P u b l i c a t i o n J u n . 2 0 , 2013 S h e e t 3 0 f 6 US 2 0 1 3 / 0 1 5 4 6 3 3 A 1

[ F i g . 3 ]

a )7 . 0 I | | I |

R N L S Vm 9 ) ARwIthout=024mQ6.2 -1 | 1 l I

400-200 0 200 400F i e l d 0 e )

1 l l | |- 4 0 0 - 2 0 0 0 200 400

F i e l d ( 0 e )


5/15


6/15


6 ]F i g .6 3

6 2 6 7e45

7 ]F i g .72

7 547 3

7 67

l/l/


7/15

P a t e n t A p p l i c a t i o n P u b l i c a t i o n J u n . 2 0 , 2013 S h e e t 6 0 f 6 US 2 0 1 3 / 0 1 5 4 6 3 3 A 1

[ F i q - 8 ]

8 3 8

4x[ F i g . 9 ]

9 3fk94 9 592 91L/ I /


8/15

US 2013/0154633 A 1

ELECTRIC CURRENT-SPIN CURRENTCONVERSION DEVICETECHNICAL I E L D

[ 0 0 0 1 ] The r e s e n t i n v e n t i o n r e l a t e s t o an e l e c t r i c c u r r e n ts p i n c u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c e t h a t p e r f o r m s c o n v e r s i o nb e t W e e n e l e c t r i c c u r r e n t a n d s p i n c u r r e n t u t i l i z i n g t h e s p i nH a l l e f f e c t o r t h e i n v e r s e s p i n H a l l e f f e c t .

BACKGROUND ART[ 0 0 0 2 ] H i g h f u n c t i o n a l i t y d e v i c e s u t i l i z i n g t h e s p i n o f h ee l e c t r o n a r e c a l l e d s p i n t r o n i c d e v i c e s a n d e x p e c t e d o p r o v i d ea neW technology t h a t W i l l surmount l i m i t s of o n v e n t i o n a ls e m i c o n d u c t o r e v i c e s . T e c h n o l o g i e s p e r t a i n i n g o s p i n t r o n i cd e v i c e s a r e d i s c l o s e d i n , f o r e x a m p l e , p a t e n t documents to9 .[ 0 0 0 3 ] N o w a d a y s , s p i n c u r r e n t t h a t d o e s n o t i n v o l v e e l e ct r i c c u r r e n t ( p u r e s p i n c u r r e n t ) h a s b e e n a t t r a c t i n g a t t e n t i o n ,a s neW f u n c t i o n a l i t i e s o f s p i n t r o n i c d e v i c e s and t e c h n i q u e sf o r g e n e r a t i n g , t r a n s p o r t i n g , d e t e c t i n g i t h a v e b e e n g r a d u a l l yd e v e l o p e d .[ 0 0 0 4 ] F o r e x a m p l e , a c c o r d i n g t o a n x i s t i n g m e t h o d , e l e ct r i c c u r r e n t ?oWing i n t h e i n t e r f a c e betWeen a n o n - m a g n e t i cm a t e r i a l and a f e r r o m a g n e t i c m a t e r i a l g e n e r a t e s a p u r e s p i nc u r r e n t . S p e c i ? c a l l y , a t h i n n o n - m a g n e t i c W i r e i s k e p t i nc o n t a c t With a f e r r om a g n e t i c b o d y . A s an e l e c t r i c c u r r e n t?oWs i n t h e i n t e r f a c e o f t h e n o n - m a g n e t i c m a t e r i a l a n d t h ef e r r o m a g n e t i c m a t e r i a l , a s p i n p o l a r i z e d c u r r e n t ( p u r e s p i nc u r r e n t + e l e c t r i c c u r r e n t ) ?oWs f r o m t h e f e r r o m a g n e t i c m a t er i a l i n t o t h e n o n - m a g n e t i c m a t e r i a l . I f o n l y o n e s i d e o f h e t h i nnon-magnetic W i r e f o r m s a c l o s e d c i r c u i t W i t h t h e c u r r e n ts o u r c e , an e l e c t r i c c u r r e n t ?oWs i n t h e c i r c u i t s i d e t h i n nonm a g n e t i c W i r e , W h i l e no c u r r e n t ?oWs i n t h e o t h e r s i d et h e r e o f . H o W e v e r , a s p i n c u r r e n t i n j e c t e d f r o m t h e f e r r o m a gn e t i c m a t e r i a l d i f f u s e s toWard o t h s i d e s of h e t h i n W i r e eveni n a p o r t i o n Where t h e r e i s no l e c t r i c , c u r r e n t ?oWs. T h i s i sc a l l e d a p u r e s p i n c u r r e n t . One method o f g e n e r a t i n g / d e t e c ti n g a p u r e s p i n c u r r e n t i s a method u t i l i z i n g t h e s p i n H a l le f f e c t o f n o n - m a g n e t i c m a t e r i a l s . T e c h n o l o g i e s p e r t a i n i n g t ot h e s p i n H a l l e f f e c t a re d i s c l o s e d i n , f o r e x a m p l e , n o n - p a t e n tdocuments 1 t o 6 .[ 0 0 0 5 ] H e r e t o f o r e , 5d t r a n s i t i o n m e t a l s s u c h a s P t h a v ebeen s u a l l y u s e d t o g e n e r a t e / d e t e c t a p u r e s p i n c u r r e n t u t il i z i n g t h e s p i n H a l l e f f e c t . H o W e v e r , t h e c o n v e r s i o n e ? i c i e n c y( i . e . t h e e f ? c i e n c y o f c o n v e r s i o n b e t W e e n l e c t r i c c u r r e n t a n ds p i n c u r r e n t ) W i t h them s v e r y l o W . I t h a s b e e n r e p o r t e d t h a ta v e r y high o n v e r s i o n e f ? c i e n c y Was c h i e v e d With h e use ofA u , b u t t h e i n v e n t o r s o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n a n d o t h e rr e s e a r c h e r s have o t been b l e t o a c h i e v e such high convers i o n e f ? c i e n c y W i t h A u n o n - p a t e n t d o c u m e n t 7 ) . T h u s , d a t aa b o u t A u l a c k s r ep r o d u c i b i l i t y ( r e l i a b i l i t y ) , a n d t i s c o n s i de r e d t h a t t h e c o n v e r s i o n e f ? c i e n c y i s h i g h e s t W i t h P t .[ 0 0 0 6 ] I n e x i s t i n g s p i n t r o n i c d e v i c e s , f e r r o m a g n e t i c b o d i e sa r e used s s p i n i n j e c t i o n s o u r c e s and s p i n d e t e c t i o n s o u r c e s .H o W e v e r , W i t h a d e c r e a s e i n t h e d e v i c e s i z e , t h e d i s t a n c eb e t W e e n f e r r o m ag n e t i c b o d i e s u s e d s s p i n i n j e c t i o n a n d s p i nd e t e c t i o n s o u r c e s a l s o h a v e been d e c r e a s e d , and t i s a l s on e c e s s a r y t h a t t h e s i z e o f t h e f e r r o m a g n e t i c b o d i e s thems e l v e s b e made m a l l . T h i s W i l l c a u s e m a g n e t o s t a t i c c o u p l i n gb e t W e e n t h e f e r r o m a g n e t i c b o d i e s , W h i c h c a n a d v e r s e l y f f e c tt h e o p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ( i n p a r t i c u l a r , m a g n e t i c ? e l dr e s p o n s e ) o f t h e d e v i c e . The t i l i z a t i o n o f t h e s p i n H a l l e f f e c to r t h e i n v e r s e s p i n H a l l e f f e c t o f a n o n - m a g n e t i c m a t e r i a l i n

J u n . 2 0 , 2 0 1 3

s p i n i n j e c t i o n a n d s p i n d e t e c t i o n W i l l e l i m i n a t e t h i s p r o b l e m .H o W e v e r , t h e r e s a p r o b l e m o f l o W c o n v e r s i o n e f ? c i e n c y W i t ht h e c o n v e n t i o n a l l y u s e d m a t e r i a l s .

CITATION LISTP a t e n t L i t e r a t u r e

[ P a t e n t D o c u m e n t 1 ][ 0 0 0 7 ]186274 J a p a n e s e P a t e n t A p p l i c a t i o n L a i d - O p e n N o . 2 0 0 4[ P a t e n t D o c u m e n t 2 ][ 0 0 0 8 ]342241 J a p a n e s e P a t e n t A p p l i c a t i o n L a i d - O p e n N o . 2 0 0 4[ P a t e n t D o c u m e n t 3 ][ 0 0 0 9 ]19561 J a p a n e s e P a t e n t A p p l i c a t i o n L a i d - O p e n N o . 2 0 0 5[ P a t e n t D o c u m e n t 4 ][ 0 0 1 0 ]135462 J a p a n e s e P a t e n t A p p l i c a t i o n L a i d - O p e n N o . 2 0 0 5[ P a t e n t D o c u m e n t 5 ][ 0 0 1 1 ]155854 J a p a n e s e P a t e n t A p p l i c a t i o n L a i d - O p e n N o . 2 0 0 7[ P a t e n t D o c u m e n t 6 ][ 0 0 1 2 ]294710 J a p a n e s e P a t e n t A p p l i c a t i o n L a i d - O p e n N o . 2 0 0 7[ P a t e n t D o c u m e n t 7 ][ 0 0 1 3 ]146512 J a p a n e s e P a t e n t A p p l i c a t i o n L a i d - O p e n N o . 2 0 0 9[ P a t e n t D o c u m e n t 8 ][ 0 0 1 4 ]295824 J a p a n e s e P a t e n t A p p l i c a t i o n L a i d - O p e n N o . 2 0 0 9[ P a t e n t D o c u m e n t 9 ][ 0 0 1 5 ]3850 J a p a n e s e P a t e n t A p p l i c a t i o n L a i d - O p e n N o . 2 0 1 0

N o n - P a t e n t L i t e r a t u r e[ N o n - P a t e n t D o c u m e n t 1 ][ 0 0 1 6 ] S . O . V a l e n z u e l a and M. Tinkham D i r e c t e l e c t r o n i cm e a s u r e m e n t o f t h e s p i n H a l l e f f e c t N a t u r e , v o l . 4 4 2 , p p .1 7 6 - 1 7 9 ( 2 0 0 6 ) .[ N o n - P a t e n t D o c u m e n t 2 ][ 0 0 1 7 ] T . K i m u r a , Y . O t a n i , T . S a t o , S . T a k a h a s h i a n d S .MaekaWa R o o m - T e m p e r a t u r e R e v e r s i b l e S p i n H a l l E f f e c t P h y s i c a l R e v i e W L e t t e r s , v o l . 9 8 , p p . 1 5 6 6 0 1 - 1 - 4 2 0 0 7 ) .[ N o n - P a t e n t D o c u m e n t 3 ][ 0 0 1 8 ] L . V i l a , T . K i m u r a , Y . O t a n i E v o l u t i o n o f S p i n H a l lE f f e c t i n P t N a n o W i r e s : S i z e a n d T e m p e r a t u r e E f f e c t s P h y s ic a l R e v i e W L e t t e r s , v o l . 9 9 , p p . 2 2 6 6 0 4 - 1 - 4 2 0 0 7 ) .


9/15

US 2013/0154633 A 1

[ N o n - P a t e n t D o c u m e n t 4 ][ 0 0 1 9 ] T . S e k i , Y . H a s e g a W a , S . M i t a n i , S . T a k a h a s h i , H .I m a m u r a , S . MaekaWa, . N i t t a a n d K . T a k a n a s i G i a n t s p i nH a l l e f f e c t i n p e r p e n d i c u l a r l y s p i n - p o l a r i z e d F e P t / A ud e v i c e s N a t u r e M a t e r i a l s , v o l . 7 , p p . 1 2 5 - 1 2 9 2 0 0 8 ) .[ N o n - P a t e n t D o c u m e n t 5 ][ 0 0 2 0 ] Y . O t a n i a n d T . Kimura S p i n H a l l E f f e c t i n S p i nt r o n i c s MAGUNE J o u r n a l o f T h e M a g n e t i c s S o c i e t y o fJ a p a n ) , v o l . 4 , p p . 6 6 - 7 2 2 0 0 9 ) .[ N o n - P a t e n t D o c u m e n t 6 ][ 0 0 2 1 ] T . K i m u r a , Y . O t a n i , L . V i l a S p i n u r r e n t a b s o r p t i o na n d s p i n H a l l e f f e c t s i n f e r r o m a g n e t i c / n o n m a g n e t i c h y b r i ds t r u c t u r e s ( i n v i t e d ) J o u r n a l o f A p p l i e d P h y s i c s , v o l . 1 0 3 , p p .0 7 F 3 1 0 - 1 - 4 ( 2 0 0 8 ) .[ N o n - P a t e n t D o c u m e n t 7 ][ 0 0 2 2 ] G . M i h a j l o v i c , J . E . P e a r s o n , M. A . G a r c i a , S . D .B a d e r a n d A . H o f f m a n n N e g a t i v e N o n l o c a l R e s i s t a n c e i nM e s o s c o p i c Gold a l l B a r s : A b s e n c e o f t h e G i a n t S p i n H a l lE f f e c t P h y s i c a l R e v i e w L e t t e r s , v o l . 1 0 3 , p p . 1 6 6 6 0 1 - 1 - 4( 2 0 0 9 ) .

SUMMARY OF INVENTIONT e c h n i c a l Problem

[ 0 0 2 3 ] A n b j e c t o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n i s t o p r o v i d e a ne l e c t r i c c u r r e n t - s p i n c u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c e t h a t p e r f o r m sc o n v e r s i o n b e t W e e n l e c t r i c c u r r e n t a n d s p i n c u r r e n t u t i l i z i n gt h e s p i n H a l l e f f e c t o r t h e i n v e r s e s p i n H a l l e f f e c t a t h i g hc o n v e r s i o n e f f i c i e n c y a n d o p r o v i d e a n a p p a r a t u s u s i n g s u c ha device.

S o l u t i o n t o Problem[ 0 0 2 4 ] A n l e c t r i c c u r r e n t - s p i n c u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c ea c c o r d i n g t o t h e p r e s e n t i n v e n t i o n i s c h a r a c t e r i z e d i n t h a tc o n v e r s i o n betWeen e l e c t r i c c u r r e n t and s p i n c u r r e n t i s p e rf o r m e d u t i l i z i n g t h e s p i n H a l l e f f e c t o r t h e i n v e r s e s p i n H a l le f f e c t of 5d r a n s i t i o n m e t a l o x i d e .[ 0 0 2 5 ] W i t h t h e a b o v e - d e s c r i b e d f e a t u r e , i t i s p o s s i b l e t op r o v i d e a n e l e c t r i c c u r r e n t - s p i n c u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c eh a v i n g h i g h c o n v e r s i o n e ? i c i e n c y . I t i s c o n s i d e r e d t h a t s p i no r b i t i n t e r a c t i o n s r e l e v a n t t o d i f f u s i o n a n d s c a t t e r i n g o f s p i nc u r r e n t , Which s a c a u s e o f t h e s p i n H a l l e f f e c t . S p e c i ? c a l l y ,i n t h e c a s e o f a m a t e r i a l i n Which h e Fermi s u r f a c e c o n d u ct i o n e l e c t r o n s ) i s c o n s t i t u t e d b y a n o r b i t a l h a v i n g a l a r g eo r b i t a l a n g u l a r momentum u c h as a 5d r b i t a l , s p i n c u r r e n t i nt h e m a t e r i a l i s g r e a t l y s c a t t e re d d u e o s t r o n g s p i n - o r b i t i n t e ra c t i o n . I n t h e c a s e o f 5d r a n s i t i o n m e t a l o x i d e s , s p i n c u r r e n ti n t h e m a t e r i a l i s c o n s i d e r e d t o b e s c a t t e r e d g r e a t l y , b e c a u s ei t s F e r m i s u r f a c e i s c o n s t i t u t e d o n l y b y t h e 5 d o r b i t a l . I t i sc o n s i d e r e d t h a t t h e e l e c t r i c c u r r e n t - s p i n c u r r e n t c o n v e r s i o nd e v i c e W i t h t h e a b o v e f e a t u r e c a n h a v e h i g h c o n v e r s i o n e ? ic i e n c y f o r t h i s r e a s o n .[ 0 0 2 6 ] The 5 d r a n s i t i o n m e t a l o x i d e may e , f o r e x a m p l e ,a 5d r a n s i t i o n m e t a l o x i d e c o n t a i n i n g I r .[ 0 0 2 7 ] A s p i n a c c u m u l a t i o n a p p a r a t u s a c c o r d i n g t o t h ep r e s e n t i n v e n t i o n i s c h a r a c t e r i z e d by o m p r i s i n g a non-magn e t i c body i n Which i n j e c t e d s p i n s a r e a c c u m u l a t e d a n d a ni n j e c t i o n u n i t t h a t i n j e c t s s p i n s i n t o s a i d n o n - m a g n e t i c b o d y ,W h e r e i n s a i d i n j e c t i o n u n i t c o m p r i s e s th e a f o r e m e n t i o n e d

J u n . 2 0 , 2 0 1 3

e l e c t r i c c u r r e n t - s p i n c u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c e p r o v i d e d ons a i d n o n - m a g n e t i c b o d y , and an e l e c t r i c poWer s o u r c e t h a ts u p p l i e s an e l e c t r i c c u r r e n t t o s a i d e l e c t r i c c u r r e n t - s p i n c u rr e n t c o n v e r s i o n d e v i c e i n such a W a y t h a t a s p i n c u r r e n t? o W i n g t o W a r d s a i d n o n - m a g n e t i c b o d y i s g e n e r a t e d b y t h es p i n H a l l e f f e c t .[ 0 0 2 8 ] A p i n a c c u m u l a t i o n a m o u n t m e a s u r i n g a p p a r a t u sa c c o r d i n g t o t h e p r e s e n t i n v e n t i o n i s c h a r a c t e r i z e d by comp r i s i n g a n o n - m a g n e t i c body n Which n j e c t e d s p i n s a r e a c c um u l a t e d , a n i n j e c t i o n u n i t t h a t i n j e c t s s p i n s i n t o s a i d nonm a g n e t i c b o d y , and a m e a s u r i n g u n i t t h a t m e a s u r e s t h ea m o u n t o f sp i n s a c c u m u l a t e d i n s a i d n o n - m a g n e t i c b o d y ,W h e r e i n s a i d m e a s u r i n g u n i t c o m p r i s e s th e a f o r e m e n t i o n e de l e c t r i c c u r r e n t - s p i n c u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c e p r o v i d e d ons a i d non-magnetic b o d y , and a s e n s o r t h a t m e a s u r e s , a s t h ea m o u n t o f p i n s , e l e c t r i c c u r r e n t g e n e r a t e d b y t h e i n v e r s e s p i nH a l l e f f e c t o f t h e e l e c t r i c c u r r e n t - s p i n c u r r e n t c o n v e r s i o nd e v i c e .[ 0 0 2 9 ] A i g h f r e q u e n c y s p i n W a v e g e n e r a t i ng a p p a r a tu sa c c o r d i n g t o t h e p r e s e n t i n v e n t i o n i s c h a r a c t e r i z e d by comp r i s i n g t h e a f o r e m e n t i o n e d e l e c t r i c c u r r e n t - s p i n c u r r e n t conv e r s i o n d e v i c e , a m a g n e t i c body p r o v i d e d on s a i d e l e c t r i cc u r r e n t - s p i n c u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c e , and n e l e c t r i c poWers o u r c e t h a t s u p p l i e s an l e c t r i c c u r r e n t t o s a i d e l e c t r i c c u r r e n ts p i n c u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c e i n s u c h a Way t h a t a s p i nc u r r e n t ? o W i n g t o W a r d s a i d m a g n e t i c b o d y i s g e n e r a t e d b yt h e s p i n H a l l e f f e c t .[ 0 0 3 0 ] A p i n Wave d e t e c t i o n a p p ar a t u s a c c o r d i n g t o t h ep r e s e n t i n v e n t i o n i s c h a r a c t e r i z e d b y c o m p r i s i n g a m a g n e t i cb o d y , a s u p p l y u n i t t h a t s u p p l i e s e n e r g y f o r g e n e r a t i n g a s p i nWave n s a i d m a g n e t i c b o d y , and d e t e c t i o n u n i t t h a t d e t e c t st h e s p i n Wave e n e r a t e d i n s a i d m a g n e t i c b o d y , W h e r e i n s a i dd e t e c t i o n u n i t c o m p r i s e s t h e a f o r e m e n t i o n e d e l e c t r i c c u r r e n ts p i n c u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c e p r o v i d e d o n s a i d m a g n e t i cb o d y , and a s e n s o r t h a t d e t e c t s , a s s a i d s p i n Wave, e l e c t r i cc u r r e n t g e n e r a t e d b y t h e i n v e r s e s p i n H a l l e f f e c t o f h e l e c t r i cc u r r e n t - s p i n c u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c e .[ 0 0 3 1 ] As e s c r i b e d a b o v e , t h e l e c t r i c c u r r e n t - s p i n c u r r e n tc o n v e r s i o n d e v i c e a c c o r d i n g t o t h e p r e s e n t i n v e n t i o n c a n beu s e d i n p l a c e o f a c o n v e n t i o n a l f e r r o m a g n e t i c body n a s p i naccumulation a p p a r a t u s , a s p i n accumulation amount meas u r i n g a p p a r a t u s , a h i g h f r e q u e n c y s p i n W a v e g e n e r a t i n ga p p a r a t u s , and a s p i n Wave d e t e c t i o n a p p a r a t u s . T h u s , t h e r ec a n b e p r o v i d e d a p p a r a t u s e s f r e e from t h e p r o b l e m o f m a gn e t o s t a t i c c o u p l i n g o r t h e p r o b l e m o f l e a k a g e m a g n e t i c ? e l dt h r o u g h a n e n d o f th e f e r r o m a g n e ti c b o d y .

A d v a n t a g e o u s E f f e c t s o f I n v e n t i o n[ 0 0 3 2 ] A c c o r d i n g t o t h e p r e s e n t i n v e n t i o n , t h e r e c a n b ep r o v i d e d a n e l e c t r i c c u r r e n t - s p i n c u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c et h a t p e r f o r m s c o n v e r s i o n b e t W e e n e l e c t r i c c u r r e n t a n d s p i nc u r r e n t u t i l i z i n g t h e s p i n H a l l e f f e c t o r t h e i n v e r s e s p i n H a l le f f e c t a t h i g h c o n v e r s i o n e f f i c i e n c y a n d t o p r o v i d e a n a p p ar a t u s u s i n g such a d e v i c e .

BRIE F DESCRIPTIONOF DRAWINGS[ F I G . 1 ][ 0 0 3 3 ] F I G . 1 i s a s c h e m a t i c d i a g r a m i l l u s t r a t i n g t h e s p i nH a l l e f f e c t a n d t h e i n v e r s e s p i n H a l l e f f e c t .[ 0 0 3 4 ] [ F I G . 2 ][ 0 0 3 5 ] F I G . 2 i n c l u d e s s c h e m a t i c d i a g r a m s s h o W i n g exemp l a r y d e v i c e s f o r m e a s u r i n g t h e s p i n d i f f u s i o n l e n g t h o f r O 2 ,


10/15

US 2013/0154633 A 1

where F I G . 2 a ) shows a d e v i c e w i t h o u t a n I r O 2 w i r e , andF I G . 2 b ) shows a d e v i c e h a v i n g a n I r O 2 w i r e .[ F I G . 3 ][ 0 0 3 6 ] F I G . 3 shows an e x e m p l a r y r e s u l t o f measuremento f t h e s p i n a c c u m u l a t i o n amount n anAg i r e i n t h e d e v i c e sshown i n F I G . 2 . F I G . 3 a ) shows a n e x e m p l a r y r e s u l t o fmeasurement o f t h e s p i n a c c u m u l a t i o n amount w i t h t h ed e v i c e shown n F I G . 2 ( a ) , a n d F I G . 3 b ) s h o w s t h e r e s u l t o fmeasurement o f t h e s p i n a c c u m u l a t i o n amount w i t h t h ed e v i c e shown n F I G . 2 ( b ) .[ F I G . 4 ][ 0 0 3 7 ] F I G . 4 i s a s c h e m a t i c diagram showing an exemp l a r y d e v i c e f o r d e t e c t i n g t h e i n v e r s e s p i n H a l l e f f e c t .[ F I G . 5 ][ 0 0 3 8 ] F I G . 5 shows a n e x e m p l a r y r e s u l t o f e t e c t i o n o f t h ei n v e r s e s p i n H a l l e f f e c t .[ F I G . 6 ][ 0 0 3 9 ] F I G . 6 i s a s c h e m a t i c diagram showing an exemp l a r y c o n s t r u c t i o n o f a s p i n a c c u m u l a t i o n a p p a r a t u s a c c o r di n g t o an embodiment.[ F I G . 7 ][ 0 0 4 0 ] F I G . 7 i s a s c h e m a t i c diagram showing an exemp l a r y c o n s t r u c t i o n o f a s p i n a c c u m u l a t i o n amount e a s u r i n ga p p a r a t u s a c c o r d i n g to an embodiment.[ F I G . 8 ][ 0 0 4 1 ] F I G . 8 i s a s c h e m a t i c diagram showing an exemp l a r y c o n s t r u c t i o n o f a h i g h f r e q u e n c y s p i n wave e n e r a t i n ga p p a r a t u s a c c o r d i n g to an embodiment.[ F I G . 9 ][ 0 0 4 2 ] F I G . 9 i s a s c h e m a t i c diagram showing an exemp l a r y c o n s t r u c t i o n o f a s p i n wave e t e c t i o n a p p a r a t u s a c c o r di n g t o an embodiment.

DESCRIPTION OF EMBODIMENTSS p i n H a l l E f f e c t a n d I n v e r s e S p i n H a l l E f f e c t

[ 0 0 4 3 ] H e r e , t h e s p i n H a l l e f f e c t a n d t h e i n v e r s e s p i n H a l le f f e c t w i l l be e x p l a i n e d . As shown i n F I G . 1 , a s an e l e c t r i cc u r r e n t I e ?ows n a n o n - m a g n e t i c m a t e r i a l , e l e c t r o n s h a v i n gu p s p i n ( u p s p i n e l e c t r o n s e l ) a n d l e c t r o n s h a v i n g down p i nd o w n s p i n e l e c t r o n s e 2 ) a r e d e ? e c t e d i n d i r e c t i o n s o p p o s i t eto e a c h o t h e r by h e s p i n - o r b i t i n t e r ac t i o n . As a c o n s e q u e n c e ,a s p i n c u r r e n t S p u r e s p i n c u r r e n t ) p e r p e n d i c u l a r o b o t h t h ed i r e c t i o n o f h e e l e c t r i c c u r r e n t I 8 and h e d i r e c t i o n o f h e s p i ni s g e n e r a t e d . T h i s p h e n o m e n o n ( o r e f f e c t ) i s c a l l e d t h e s p i nH a l l e f f e c t . On h e o t h e r h a n d , a s a s p i n c u r r e n t I S ?ows i n an o n - m a g n e t i c m a t e r i a l , a n e l e c t r i c c u r r e n t I e ?owing i n ad i r e c t i o n p e r p e n d i c u l a r t o b o t h t h e d i r e c t i o n o f t h e s p i n c u rr e n t I S a n d t h e d i r e c t i o n o f s p i n i s g e n e r a t e d . T h i s phenomenon s c a l l e d t h e i n v e r s e s p i n H a l l e f f e c t . T h u s , c o n v e r s i o nbetween e l e c t r i c c u r r e n t and s p i n c u r r e n t c a n b e a c h i e v e d byu t i l i Z i n g t h e s p i n H a l l e f f e c t o r t h e i n v e r s e s p i n H a l l e f f e c t .D e v i c e s n o n - m a g n e t i c m a t e r i a l s ) p e r f o r m i n g s u c h c o n v e rs i o n a r e c a l l e d e l e c t r i c c u r r e n t - s p i n c u r r e n t c o n v e r s i o n

J u n . 2 0 , 2 0 1 3

d e v i c e s . I n t h e s p i n H a l l e f f e c t a n d t h e i n v e r s e s p i n H a l l e f f e c t ,t h e e l e c t r i c c u r r e n t I 8 and t h e s p i n c u r r e n t I S a r e i n t h e r e l at i o n s h i p e x p r e s s e d b y t h e f o l l o w i n g f o r m u l a . ( 1 )[ M a t h . 1 ][ 0 0 4 4 ]

1 5 m l . 1 ) .w h e r e s i s t h e d i r e c t i o n o f s p i n d i r e c t i o n o f m a g n e t i z a t i o n ) .[ 0 0 4 5 ] The e f ? c i e n c y o f c o n v e r s i o n between l e c t r i c c u rr e n t a n d s p i n c u r r e n t ( d i f f u s i o n o f s p i n c u r r e n t ) p e r f o r m e da c c o r d i n g t o th e r e l a t i o n s h i p o f f o r m u l a ( 1 ) i s e x p e c t e d t od e p e n d o n t h e m a g n i t u d e o f th e s p i n - o r b i t i n t e r a c t i o n . S p ec i ? c a l l y , h i g h e r c o n v e r s i o n e f ? c i e n c i e s a r e e x p e c t e d t o b ea c h i e v e d w i t h m a t e r i a l s w i t h s t r o n g e r s p i n - o r b i t i n t e r a c t i o n .T h e r e f o r e , t h e i n v e n t o r s o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n f o c u s e d onI r O 2 a s a m a t e r i a l h a v i n g s t r o n g s p i n - o r b i t i n t e r a c t i o n a n di n v e s t i g a t e d t h e s p i n H a l l e f f e c t o f I r O 2 . A e t a i l e d d e s c r i pt i o n w i l l b e g i v e n i n t h e f o l l o w i n g .

M e a s u r e m e n t o f S p i n D i f f u s i o n L e n g t h[ 0 0 4 6 ] When h e s p i n H a l l e f f e c t o r t h e i n v e r s e s p i n H a l le f f e c t of non-magnetic a t e r i a l i s u t i l i Z e d t o i n j e c t o r d e t e c ts p i n s , i t i s p r e f e r r e d t h a t th e s p i n d i f f u s i o n l e n g t h o f t h en o n - m a g n e t i c m a t e r i a l b e s m a l l ( s h o r t ) . T h e s p i n d i f f u s i o nl e n g t h i s t h e d i s t a n c e o v e r which t h e s t a t e o f s p i n i s maint a i n e d ( o r t h e d i s t a n c e t h r o u g h w h i c h s p i n r e l a x e s ) .[ 0 0 4 7 ] The n v e n t o r s o f h e p r e s e n t i n v e n t i o n made d e v i c eshown n F I G . 2 a n d m e a s u r e d t h e s p i n d i f f u s i o n l e n g t h o fI r O 2 .[ 0 0 4 8 ] The d e v i c e shown i n F I G . 2 a ) h a s a s t r u c t u r ei n c l u d i n g t w o f e r r o m ag n e t i c w i r e s b r i d g e d b y a non-magn e t i c w i r e . I n h i s e m b o d i m e n t , w i r e s made f e r m a l l o y P y lw i r e and Py2 i r e ) were s e d a s t h e f e r r o m a g n e t i c w i r e s , a n da w i r e made o f A g Ag w i r e ) was u s e d a s t h e n o n - m a g n e t i cw i r e . The e v i c e shown n F I G . 2 b ) h a s a s t r u c t u r e s i m i l a r t ot h e d e v i c e shown n F I G . 2 a ) b u t i s augmented o i n c l u d e aw i r e made f I r O 2 ( I r O 2 w i r e ) . S p e c i ? c a l l y , t h e I r O 2 w i r e i sc o n n e c t e d t o t h e A g i r e a t a p o s i t i o n between h e Pyl w i r ea n d t h e Py2 i r e . I n t h i s e m b o d i m e n t , a n I r O 2 w i r e h av i n g athickness of 10 nm nd a width w f 1 70 nm as used. Thed i s t a n c e d p y p y f r o m t h e p o i n t o f o n n e c t i o n o f h e A g i r e a n dt h e P y l w i r e t o t h e p o i n t o f c o n n e c t i o n o f t h e A g i r e a n d t h ePy2 i r e was 700 nm, and h e d i s t a n c e d p y _ 1 , 0 2 from h e p o i n to f c o n n e c t i o n o f t h e A g i r e a n d t h e P y l w i r e t o t h e p o i n t o fc o n n e c t i o n o f t h e Ag i r e and h e I r O 2 w i r e was 350 nm.[ 0 0 4 9 ] I n t h e e x e m p l a r y d e v i c e s shown i n F I G . 2 , a s a ne l e c t r i c c u r r e n t c i s c a u s e d t o ?o w rom h e P y l w i r e t o theAgw i r e , s p i n s a r e i n j e c t e d f r o m th e P y l w i r e i n t o th e A g i r e .The amount o f s p i n a c c u m u l a t i o n i n t h e A g i r e s p i n a c c um u l a t i o n a m o u n t ) c a n b e m e a s u r e d b y m e a s u r i n g t h e p o t e nt i a l d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e A g i r e a n d t h e Py2 w i r e .[ 0 0 5 0 ] F I G . 3 s h o w s t h e re s u l t o f measurement o f t h e s p i na c c u m u l a t i o n a m o u n t . F I G S . 3 a ) a n d 3 b ) show h e r e s u l t o fmeasurement f h e s p i n a c c u m u l a t i o n amount n t h e d e v i c e sshown n F I G S . 2 a ) a n d 2 b ) r e s p e c t i v e l y . In F I G . 3 , t h eh o r i Z o n t a l a x i s ( F i e l d ) r e p r e s e n t s t h e i n t e n s i t y o f th e magn e t i c ? e l d ( i n t h e y - d i r e c t i o n i n F I G . 2 ) a p p l i e d t o c o n t r o l t h ed i r e c t i o n o f m a g n e t i Z a t i o n o f th e P y l w i r e , a n d th e v e r t i c a la x i s R N L S V ) r ep r esents th e v a l u e o f t h e m e a s u r e d p o t e n t i a ld i f f e r e n c e d i v i d e d by t h e e l e c t r i c c u r r e n t I C .[ 0 0 5 1 ] I n F I G . 3 , A R W l - t h a n d ARM-mom c o r r e s p o n d t o t h eamount f s p i n a c c u m u l a t i o n i n t h e A g i r e . The e a s o n w h y


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A R W l - t h i s s m a l l e r t h a n ARM-mom s t h a t th e s p i n s a c c u m u l a t e di n t h e A g i r e W e r e a b s o r b e d b y t h e I r O 2 W i r e .[ 0 0 5 2 ] T h e s p i n d i f f u s i o n l e n g t h 7mm f t h e I r O 2 c a n b ec a l c u l a t e d u s i n g t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n s ( 2 - 1 ) a n d 2 - 2 ) n o np a t e n t d o c u m e n t 3 ) .

[ M a t h 2 ]

[ c 0 8 4 d P H y ] _ ] 2 - 1 )A _ Mg A R w i r h0 2 P 1 0 2 1 _ ARWM ) { d B / 4 3 y ] A R M / [ t h a w AA R w i r h o m A A g

[ M a t h 3 ]_ pAgAAg ( 2 - 2)

RAE - [ 0 0 5 3 ] Where S i s t h e c r o s s s e c t i o n a l a r e a of t h e c o n t a c tbetWeen t h e A g W i r e a n d t h e I r O 2 W i r e , p i s t h e e l e c t r i cr e s i s t i v i t y o f m a t e r i a l A , A A i s t h e s p i n d i f f u s i o n l e n g t h o fm a t e r i a l A , R i s t h e s p i n r e s i s t a n ce o f a t e r i a l A W h i c h s ani n d e x r e p r e s e n t i n g hoW a s i l y t h e m a t e r i a l A o n d u c t s s p i nc u r r e n t ) . The a l u e o f p , 0 2 i s 2 > < 1 0 _ 4 Qcm, t h e v a l u e o f p gi s 3 x 1 0 6 Qcm, a n d t h e v a l u e ofkA i s 3 3 0 nm. I n h i s e x p e r im e n t , t h e v a l u e o f S Was 29x 10 0 c m 2 . From th is e x p e r im e n t , t h e v a l u e o f t h e s p i n d i f f u s i o n l e n g t h , 0 2 o f I r O 2 Wasdetermined o be a p p r o x i m a t e l y 1 5 nm, Which s o f t h e sameo r d e r a s t h a t o f P t ~ 1 0 T h i s s u g g e s t s t h a t I r O 2 i s ap r o m i s i n g m a t e r i a l f o r u s e i n e l e c t r i c c u r r e n t - s p i n c u r r e n tc o n v e r s i o n d e v i c e s .

D e t e c t i o n o f I n v e r s e S p i n H a l l E f f e c t[ 0 0 5 4 ] I n t h e d e v i c e shoWn n F I G . 2 b ) , a s a s p i n c u r r e n t i sa b s o r b e d by t h e I r O 2 W i r e , a n e l e c t r i c c u r r e n t 1 8 ?oWs n t h eI r O 2 W i r e b y t he i n v e r s e s p i n H a l l e f f e c t . S p e c i ? c a l l y , i f t h ed i r e c t i o n o f s p i n o f h e s p i n c u r r e n t a b s o r b e d b y t h e I r O 2 W i r ei s t h e x - d i r e c t i o n i n F I G . 2 ( b ) , t h e e l e c t r i c c u r r e n t 1 8 ?oWs i nt h e y - d i r e c t i o n i n t h e I r O 2 W i r e i n F I G . 2 ( 1 ) ) .[ 0 0 5 5 ] The n v e n t o r s o f h e p r e s e n t i n v e n t i o n made d e v i c eshoWn i n F I G . 4 and d e t e c t e d t h e i n v e r s e s p i n H a l l e f f e c t o fI r O 2 b y m e a s u r i n g t h e p o t e n t i a l d i f f e r e n c e b e t W e e n t h e b o t he n d s o f t h e I r O 2 W i r e . The a l u e s o f t h e t h i c k n e s s t and t h eW i d t h W f t h e I r O 2 W i r e , t h e e l e c t r i c c u r r e n t 1 6 , t h e d i s t a n c ed p y p y f r o m t h e p o i n t o f c o n n e c t i o n o f h e A g i r e a n d th e P y lW i r e t o t h e p o i n t o f c o n n e c t i o n o f t h e A g i r e a n d t h e Py2W i r e , a n d t h e d i s t a n c e d p y _ , 0 2 f r o m t h e p o i n t o f c o n n e c t i o n o ft h e A g i r e a n d t h e P y l W i r e t o t h e p o i n t o f c o n n e c t i o n o f t h eAg i r e and h e I r O 2 W i r e Were h e same a s t h e v a l u e s i n t h ee x p e r i m e n t shoWn n F I G S . 2 a n d 3 .[ 0 0 5 6 ] F I G . 5 s h o W s t h e r e s u l t o f a n e x p e r i m e n t p e r f o r m e du s i n g t h e d e v i c e shoWn i n F I G . 4 . I n F I G . 5 , t h e h o r i z o n t a la x i s ( F i e l d ) r e p r e s e n t s t h e i n t e n s i t y o f t he m a g n e t i c ? e l d i nt h e x - d i r e c t i o n i n F I G . 4 , a n d t h e v e r t i c a l a x i s R I S H E ) r e p r es e n t s t h e v a l u e o f t h e measured o t e n t i a l d i f f e r e n c e d i v i d e db y t h e s u p p l i e d e l e c t r i c c u r r e n t 1 6 .[ 0 0 5 7 ] As shoWn n F I G . 5 , We b s e r v e d t h e phenomenono f r e v e r s a l o f t h e v o l t a g e p o l a r i t y W i t h r e v e r s a l o f t h e d i r e ct i o n o f t h e m a g n e t i c ? e l d , n a m e l y W i t h r e v e r s a l o f t h e d i r e ct i o n o f m a g n e t i Z a t i o n o f t h e i n j e c t e d s p i n c u r r e n t . T h i s r e s u l t? t s f o r m u l a ( 1 ) . T h u s , t h e i n v e r s e s p i n H a l l e f f e c t o f I r O 2 Wasd e t e c t e d .

J u n . 2 0 , 2 0 1 3

C a l c u l a t i o n o f S p i n H a l l R e s i s t i v i t y a n d S p i n H a l lA n g l e[ 0 0 5 8 ] I n t h e e x p e r i m e n t shoWn n F I G S . 4 a n d , t h e v a r i at i o n AV f t h e m e a s u r e d p o t e n t i a l d i f f e r e n c e i s e x p r e s s e d b yt h e f o l l o W i n g e q u a t i o n 3 ) :

[ M a t h 4 ]AV = I c A R I S H E = pils, ( 3 )

W

Where s i s t h e c u r r e n t ?oWing i n t h e P y l W i r e , a n d W s t h eW i d t h o f t h e I r O 2 W i r e .[ 0 0 5 9 ] I n e q u a t i o n ( 3 ) , A R I S H E s t h e v a l u e o f h e p o t e n t i a ld i f f e r e n c e g e n e r a t e d i n I r O 2 b y t he i n v e r s e s p i n H a l l e f f e c t( s p i n H a l l e f f e c t ) d i v i d e d b y t h e c u r r e n t I C ? o W i n g i n t h e P y lW i r e , W h i c h i s t h e h e i g h t d i f f e r e n c e b e t W e e n t h e p l a t e a u s o ft h e c u r v e i n F I G . 5 . I n t h e e x p e r i m e n t shoWn n FIGS. 4 and5 , A R I S H E Was a p p r o x i m a t e l y e q u a l t o 0 . 1 8 m Q .[ 0 0 6 0 ] I n e q u a t i o n ( 3 ) , I S i s th e a m o u n t o f s p i n c u r r e n ta b s o r b e d b y t h e I r O 2 W i r e , W h i c h c a n b e c a l c u l a t e d u s i n g t h ef o l l o W i n g e q u a t i o n ( 4 ) o n t h e b a s i s o f th e e x p e r i m e n t shoWni n F I G S . 2 a n d 3 n o n - p a t e n t d o c u m e n t 6 ) .

[ M a t h 5 ]l l P y i R P y l 1 c ( 4 )1 3 : :

W h e r e a p y l i s t h e s p i n p o l a r i Z a t i o n r a t i o o f P y l . In t h i sembodiment, t h e v a l u e o f t p y l Was 0 . 2 6 .[ 0 0 6 1 ] I n e q u a t i o n 3 ) p S H E i s th e s p i n H a l l r e s i s t i v i t y o fI r O 2 , Which s a v a l u e i n d i c a t i v e o f t h e e f ? c i e n c y o f c o n v e rs i o n b e t W e e n t h e s p i n c u r r e n t a n d t h e p o t e n t i a l d i f f e r e n c e ( o rt h e e l e c t r i c c u r r e n t ) ( o r i n d i c a t i v e o f h e m a g n i t u d e o f h e s p i nH a l l e f f e c t o r t h e i n v e r s e s p i n H a l l e f f e c t ) . S p e c i ? c a l l y , t h eh i g h e r p S H E s , th e h i g h e r th e c o n v e r s i o n e ? i c i e n c y i s . ) Frome q u a t i o n s ( 3 ) a n d ( 4 ) , t h e v a l u e o f t h e s p i n H a l l r e s i s t i v i t ypSHE o f I r O 2 Was c a l c u l a t e d t o b e 9 . 3 > < 1 0 _ 9 Q m , Which sa p p r o x i m a t e l y 1 6 t i m e s t h a t o f t W h i c h s 5 . 7 7 > < 1 0 _ 1 O Q m ,a c c o r d i n g o n o n - p a t e n t d o c u m e n t ) . T h i s s u g g e s t s t h a t I r O 2i s a p r o m i s i n g m a t e r i a l f o r u s e i n e l e c t r i c c u r r e n t - s p i n c u r r e n tc o n v e r s i o n d e v i c e s .[ 0 0 6 2 ] The p i n H a l l a n g l e 0 t may e u s e d n d i s c u s s i n g t h es p i n H a l l e f f e c t a n d t h e i n v e r s e s p i n H a l l e f f e c t . The p i n H a l la n g l e 0 t i s an n d e x i n d i c a t i v e of h e d e g r e e t o Which l e c t r o n s?oWing i n a m a t e r i a l a r e d e ? e c t e d by t h e s p i n - o r b i t i n t e r a ct i o n , a n d a r g e r s p i n H a l l a n g l e s a r e p r e f e r a b l e . T h e s p i n H a l la n g l e 0 t c a n b e c a l c u l a t e d b y t h e f o l l o W i n g e q u a t i o n ( 5 ) .

[ M a t h 6 ]a : psi 5)

P102

[ 0 0 6 3 ] From q u a t i o n ( 5 ) , th e v a l u e o f h e s p i n H a l l a n g l e to f I r O 2 Was c a l c u l a t e d to b e 0 . 0 0 4 7 , Which s a p p r o x i m a t e l y1 . 3 t i m e s t h a t o f t W h i c h s 0 . 0 0 3 7, a c c o r d i n g t o n o n - p a t e n t


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d o c u m e n t 2 ) . T h i s s u g g e s t s t h a t I r O 2 i s a p r o m i s i n g m a t e r i a lf o r u s e i n e l e c t r i c c u r r e n t - s p i n c u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c e s .[ 0 0 6 4 ] As i l l b e u n d e r s t o o d f r o m t h e f o r e g o i n g d e s c r i pt i o n , I r O 2 s a m a t e r i a l h a v i n g a v e r y h i g h s p i n H a l l r e s i s t i v i t ya n d l a r g e s p i n H a l l a n g l e a s c o m p a r e d o P t . T h e r e f o r e , e l e ct r i c c u r r e n t - s p i n c u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c e s W i t h h i g h c o n v e rs i o n e f ? c i e n c y c a n b e o b t a i n e d b y u s i n g I r O 2 .[ 0 0 6 5 ] The i n v e n t o r s o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n c o n s i d e r e dth e r e a s o n Why r O 2 h a s a h i g h s p i n H a l l r e s i s t i v i t y a n d a r g es p i n H al l a n g l e n a m e l y t h e r e a s o n Why h e m a g n i t u d e o f t h es p i n H a l l e f f e c t and t h e i n v e r s e s p i n H a l l e f f e c t o r t h e e ? ic i e n cy o f c o n v e r s i o n betWeen l e c t r i c c u r r e n t and s p i n c u rr e n t i s h i g h W i t h I r O 2 ) a n d f o u n d t h a t 5 d tr ansi ti o n m e t a lo x i d e s a r e p r o m i s i n g m a t e r i a l s f o r u s e i n e l e c t r i c c u r r e n t - s p i nc u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c e s . T h i s W i l l b e d e s c r i b e d s p e c i ?c a l l y i n t h e f o l l o W i n g .[ 0 0 6 6 ] I t i s c o n s i d e r e d t h a t t h e s p i n - o r b i t i n t e r a c t i o n i s r e le v a n t t o t h e mechanism f h e d e ? e c t i o n o f h a r g e c u r r e n t ands p i n c u r r e n t . S p e c i ? c a l l y , t h e s p i n c u r r e n t i s n o t d e ? e c t e d i nm a t e r i a l s i n Which t h e Fermi s u r f a c e i s c o n s t i t u t e d by t h e so r b i t a l , W i t h Which p i n - o r b i t i n t e r a c t i o n s d o n o t r i s e . On h eo t h e r h a n d , t h e s p i n c u r r e n t s g r e a t l y d e ? e c t e d n m a t e r i a l s i nWhich h e Fermi s u r f a c e i s c o n s t i t u t e d by an e l e c t r o n o r b i t a lW i t h Which a s t r o n g s p i n - o r b i t i n t e r a c t i o n a r i s e s , s u c h a s t h e5d o r b i t a l . T h e r e f o r e , i t i s c o n s i d e r e d t h a t t h e 5d o r b i t a lg r e a t l y c o n t r i b u t e s t o t h e s p i n H a l l e f f e c t a n d t h e i n v e r s e s p i nH a l l e f f e c t ) .[ 0 0 6 7 ] I n t h e 5d m e t a l s s u c h a s P t , t h e Fermi s u r f a c e i sc o n s t i t u t e d by a h y b r i d o r b i t a l o f t h e 6 s o r b i t a l and t h e 5do r b i t a l . I t i s c o n s i d e r e d , th er ef o r e , t h a t t h e 6 s o r b i t a l , W i t hWhich s p i n - o r b i t i n t e r a c t i o n s d o n o t a r i s e , W e a k e n s t h ed e ? e c t i o n o f s p i n s , t h e r e b y d e c r e a s i n g th e c o n v e r s i o n e ? ic i e n c y .[ 0 0 6 8 ] On t h e o t h e r h a n d , i n t h e c a s e o f I r O 2 , t h e F e r m is u r f a c e i s c o n s t i t u t e d o n l y b y t h e 5 d r b i t a l , W h i c h s c o n s i de r e d t o be t h e r e a s o n W h y a h i g h c o n v e r s i o n e ? i c i e n c y Wasa c h i e v e d W i t h I r O 2 . I n o t h e r W o r d s , m a t e r i a l s i n Which t h eF e r m i s u r f a c e i s c o n s t i t u t e d o n l y by t h e 5d o r b i t a l c a n b ee x p e c t e d t o shoW h i g h c o n v e r s i o n e ? i c i e n c y , a n d 5 d r a n s it i o n m e t a l o x i d e s a r e promising m a t e r i a l f o r u s e i n e l e c t r i cc u r r e n t - s p i n c u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c e s . Examples f 5d r a ns i t i o n m e t a l o x i d e s i n c l u d e R e O 3 , R s I r O 3 , C a I r O 3 , B a I r O 3 ,a n d MXWO3 M s H , L i , N a , K , R b , C s , C a , S r , B a , C e , E u , o rG d , a n d x : 0 . 0 5 0 . l 5 ) . I n t h e a b o v e e x p e r i m e n t s, p o l y c r y st a l l i n e I r O 2 a n d a m o r p h o u s I r O 2 W e r e u s e d F I G S . 3 a n d 5shoW a t a i n t h e c a s e Where o l y c r y s t a l l i n e I r O 2 Was s e d ) . Af u r t h e r enhancement i n t h e e ? i c i e n c y c a n b e e x p e c t e d t o b ea c h i e v e d by t h e u s e o f m o n o c r y s t a l l i n e I r O 2 , b e c a u s e m a t er i a l s have l o W e r e l e c t r i c r e s i s t i v i t y i n a m o n o c r y s t a l i n e formt h a n i n a p o l y c r y s t a l l i n e o r amorphous f o r m .

A p p a r a t u s U s i n g E l e c t r i c C u r r e n t - S p i n C u r r e n tC o n v e r s i o n D e v i c e

[ 0 0 6 9 ] I n t h e f o l l o W i n g , a c o n c r e t e e x e m p l a r y a p p a r a t u su s i n g t h e a b o v e - d e s c r i b e d e l e c t r i c c u r r e n t - s p i n c u r r e n t conversion device i l l be e s c r i b e d . While case Where devicem ade of r O 2 i s used a s an e l e c t r i c c u r r e n t - s p i n c u r r e n t conv e r s i o n d e v i c e W i l l b e d e s c r i b e d i n t h e f o l l o W i n g , t h e m a t e r i a lo f t h e d e v i c e i s n o t l i m i t e d t o I r O 2 b u t ma y be o t h e r 5dt r a n s i t i o n m e t a l o x i d e s .

S p i n A c c u m u l a t i o n A p p a r a t u s[ 0 0 7 0 ] F I G . 6 i s a s c h e m a t i c diagram shoWing an exemp l a r y c o n s t r u c t i o n o f a s p i n a c c u m u l a t i o n a p p a r a t u s a c c o r d

J u n . 2 0 , 2 0 1 3

i n g t o a n e m b o d i m e n t . The s p i n a c c u m u l a t i o n a p p a r a t u sa c c o r d i n g t o t h e embodiment a c c u m u l a t e s s p i n s i n a nonm a g n e t i c b o d y u t i l i Z i n g t h e s p i n H a l l e f f e c t c o n v e r s i o n o fe l e c t r i c c u r r e n t n t o s p i n u r r e n t ) o f r O 2 . I n t h e f o l l o W i n g , t h ec o n s t r u c t i o n o f t h e s p i n a c c u m u l a t i o n a p p a r a t u s W i l l b ed e s c r i b e d i n d e t a i l W i t h r e f e r e n c e t o F I G . 6 .[ 0 0 7 1 ] The s p i n a c c u m u l a t i o n a p p a r a t u s i n c l u d e s a nonm a g n e t i c b o d y f o r s p i n a c c u m u l a t i o n a c c u m u l a t i o n p a r t 6 1 )i n Which n j e c t e d s p i n s a r e a c c u m u l a t e d a n d a n i n j e c t i o n p a r t6 2 h a t i n j e c t s s pi n s i n t o t h e n o n - m a g n e t i c b o d y . I n t h e exemp l a r y c a s e shoWn n F I G . 6 , t h e s p i n a c c u m u l a t i o n a p p a r a t u sf u r t h e r i n c l u d e s a m a g n e t i c ? e l d d e t e c t i o n p a r t 6 3 .[ 0 0 7 2 ][ 0 0 7 3 ] T h e s p i n n j e c t i o n p a r t 6 2 i n c l u d e s a n I r O 2 a r t I r O 2W i r e 6 4 ) p r o v i d e d on h e a c c u m u l a t i o n p a r t 6 1 o n o n e s u r f a c eof h e a c c u m u l a t i o n p a r t 6 1 ) and an l e c t r i c poWer s o u r c e 6 5t h a t s u p p l i e s an e l e c t r i c c u r r e n t t o t h e I r O 2 Wire 64 s o t h a t as p i n c u r r e n t ?oWing o W a r d t h e a c c u m u l a t i o n p ar t 6 1 i s g e ne r a t e d by t h e s p i n H a l l e f f e c t . S p e c i ? c a l l y , a s t h e e l e c t r i cpoWer s o u r c e 65 s u p p l i e s an e l e c t r i c c u r r e n t ?oWing i n t h eW i r i n g d i r e c t i o n ( t h e y - d i r e c t i o n i n F I G . 6 ) o f t he I r O 2 W i r e6 4 , a s p i n c u r r e n t ?oWing o W a r d t h e a c c u m u l a t i o n p a r t 6 1 i sg e n e r a t e d i n t h e I r O 2 W i r e 6 4 . The s p i n c u r r e n t g e n e r a t e d i nt h e I r O 2 W i r e 6 4 ?oWs n t o t h e a c c u m u l a t i o n p a r t 6 1 . T h u s ,s p i n s c a n be a c c u m u l a t e d i n t h e a c c u m u l a t i o n p a r t 6 1 . Thed i r e c t i o n o f t h e s p i n c u r r e n t and h e d i r e c t i o n o f t h e s p i n s c a nb e c o n t r o l l e d by t h e d i r e c t i o n o f t h e e l e c t r i c c u r r e n t .[ 0 0 7 4 ] The a g n e t i c ? e l d d e t e c t i o n p a r t 6 3 i n c l u d e s a f e rr o m a g n e t i c b o d y 6 6 f e r r o m a g n e t i c e l e c t r o d e ) p r o v i d e d o nt h e accumulation p a r t 61 and a s e n s o r 67 t h a t s e n s e s t h em a g n e t i c ? e l d . S p e c i ? c a l l y , t he s pi n c u r r e n t ? o W i n g i n t h ea c c u m u l a t i o n pa rt 6 1 ?oWs n t o t h e f e r r o m a g n e t i c b o d y 6 6 .T h e n , t h e s e n s o r 67 Which i s a v o l t m e t e r ) measures t h ep o t e n t i a l d i f f e r e n c e b e t W e e n t h e f er r o m a g n e t i c b o d y 6 6 a n dt h e a c c u m u l a t i o n p a r t 6 1 . The measurement o f h i s p o t e n t i a ld i f f e r e n c e can i v e t h e measurement of h e d i f f e r e n c e i n t h ec h e m i c a l p o t e n t i a l b e t W e e n th e f e r r o m a g n e t i c b o d y 6 6 a n dt h e a c c u m u l a t i o n p a r t 6 1 . The o t e n ti a l d i f f e r e n c e t h u s meas u r e d d e p e n d s on h e e l a t i v e a n g l e f o r m e d b y t h e d i r e c t i o n o fm a g n e t i Z a t i o n n th e f e r r o m a g n e t i c b o d y 6 6 a n d th e d i r e c t i o no f a c c u m u l a t e d s p i n s . I n t h e c a s e Where h i s a p p a r a t u s i s u s e da s a magnetic ?eld s e n s o r , a medium o r Which h e measurement s t o b e p e r f o r m e d i s b r o u g h t i n t o c o n t a c t W i t h t h e endf a c e o f t h e f e r r o m a g n e t i c body 6 6 a n d t h e e n d f a c e o f t h ea c c u m u l a t i o n p a r t 6 1 . T h e n , a l e a k a g e m a g n e t i c ? e l d f r o m t h emedium i l l c a u s e a change n t h e d i r e c t i o n o f a g n e t i Z a t i o nof t h e f e r r o m a g n e t i c body 6 6 , Which can be d e t e c t e d a s ac h a n g e i n t h e p o t e n t i a l d i f f e r e n c e . T h e m a g n i t u d e o f t h em a g n e t i c ? e l d d e r i v e d from t h e medium can be c a l c u l a t e df r o m th e c h a n g e i n th e p o t e n t i a l d i f f e r e n c e .[ 0 0 7 5 ] I t i s d e s i r a b l e t h a t t h e m a t e r i a l o f t h e a c c u m u l a t i o np a r t 6 1 b e a m a t e r i a l h a v i n g a l a r g e s p i n r e l a x a t i o n l e n g t h ,Which ma y b e a m e t a l s u c h as A l , Mg, C u , o r Ag, an a l l o yt h e r e o f , a semiconductor such s S i , Ge, o r GaAs, o r a superconductor such a s A l or Nb.[ 0 0 7 6 ] I t i s n e c e s s a r y t h a t t h e d i s t a n c e L6 e t W e e n t h e I r O 2W i r e 6 4 a n d t h e f e r r o m a g n e t i c body 6 6 b e n o t l a r g e r t h a n t h es p i n r e l a x a t i o n l e n g t h o f th e n o n - m a g n e t i c m a t e r i a l 6 1 . F o re x a m p l e , a t a m b i e n t t e m p e r a t u r e , t h e s p i n r e l a x a t i o n l e n g t ho f Cu s a p p r o x i m a t e l y 3 0 0 n m , t h e s p i n r e l a x a t i o n l e n g t h o fA u s a p p r o x i m a t e l y 5 0 n m , a n d t h e s p i n r e l a x a t i o n l e n g t h o fAl s a p p r o x i m a t e l y 400 nm. t i s p r e f e r r e d t h a t t h e d i s t a n c eL6 e t W e e n t h e I r O 2 W i r e 6 4 a n d t h e f e r r o m a g n e t i c body 6 6

The a c c u m u l a t i o n p ar t 6 1 h a s a p l a t e - l i k e s h a p e .


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be s h o r t e r , because a s h o r t e r d i s t a n c e L6 i l l l e a d t o a l a r g e rp o t e n t i a l d i f f e r e n c e t o b e d e t e c t e d .[ 0 0 7 7 ] The a t e r i a l s t h a t can be used s t h e m a t e r i a l o f t h ef e r r o m a g n e t i c b o d y 66 i n c l u d e N i , F e , C o , a l l o y s t h e r e o f ,amorphous a t e r i a l s s u c h as CoiFeiB, e u s l e r m a t e r i a l ssuch a s CoiMniSi and Co4CriFeiAl, x i d e s such a sLaiSriMn4O, n d f e r r o m a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r m a t e r ia l s such a s GaMnAs.[ 0 0 7 8 ] N o n - m a g n e t i c e l e m e n t s s u c h a s T i , V , C r , M n , C u ,Z n , B , A l , G a , C , S i , G e , S n , N , P , S b , 0 , S , M o , R u , A g , H f ,T a , W, r , P t , a n d A u may e a d d e d t o t h e a b o v e - m e n t i o n e dm a t e r i a l s a s n e c e s s a r y i n o r d e r t o c o n t r o l magnetic c h a r a ct e r i s t i c s a n d c h e m i c a l p r o p e r t i e s .[ 0 0 7 9 ] The e r r o m a g n e t i c b o d y 6 6 may e a f e r r o m a g n e t i ct h i n ? l m made of one of h e above-mentioned a t e r i a l s o r am u l t i - l a y e r t h i n ?lm made p o f m u l t i p l e k i n d s o f t h i n ?lml a y e r s t h a t a r e l a m i n a t e d t o g e t h e r .[ 0 0 8 0 ] I t i s p r e f e r r e d t h a t t h e ?lm t h i c k n e s s d 6 o f t h e f e rr o m a g n e t i c body 6 6 b e n o t s m a l l e r t h a n 2 nm, i n vieW o fn o i s e s i n m e a s u r i n g th e p o t e n t i a l d i f f e r e n c e a n d m a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i c s .

S p i n A c c u m u l a t i o n Amount e a s u r i n g A p p a r a t u s[ 0 0 8 1 ] F I G . 7 i s a s c h e m a t i c diagram shoWing an exemp l a r y c o n s t r u c t i o n o f a s p i n a c c u m u l a t i o n amount e a s u r i n ga p p a r a t u s a c c o r d i n g t o a n e m b o d i m e n t . The s p i n a c c u m u l at i o n amount e a s u r i n g a p p ar a t u s a c c o r d i n g t o t h i s e m b o d iment measures t h e amount o f s p i n s s p i n a c c u m u l a t i o na m o u n t ) a c c u m u l a t e d i n a n o n - m a g n e t i c b o d y u t i l i z i n g t h ei n v e r s e s p i n H a l l e f f e c t c o n v e r s i o n o f s p i n c u r r e n t i n t o e l e ct r i c c u r r e n t ) o f r O 2 . I n t h e f o l l o W i n g , t h e c o n s t r u c t i o n o f t h es p i n a c c u m u l a t i o n a m o u n t m e a s u r i n g a p p a r a t u s W i l l b ed e s c r i b e d s p e c i ? c a l l y W i t h r e f e r e n c e t o F I G . 7 .[ 0 0 8 2 ] The s p i n a c c u m u l a t i o n a m o u n t m e a s u r i n g a p p a r at u s i n c l u d e s a n o n - m a g n e t i c body o r a c c u m u l a t i o n a c c u m ul a t i o n p a r t 7 1 ) i n Which i n j e c t e d s p i n s a r e a c c u m u l a t e d , a ni n j e c t i o n p a r t 7 2 t h a t i n j e c t s s p i n s i n t o t he a c c u m u l a t i o n p a r t7 1 , and a d e t e c t i o n p a r t 7 3 t h a t measures t h e s p i n accumulat i o n amount n t h e a c c u m u l a t i o n p a r t 7 1 .[ 0 0 8 3 ] The a c c u m u l a t i o n pa rt 7 1 h a s a p l a t e - l i k e s h a p e .[ 0 0 8 4 ] T h e s p i n i n j e c t i o n p a r t 7 2 h a s a f e r r o m a g n e t i c b o d y74 p r o v i d e d on t h e a c c u m u l a t i o n p a r t 7 1 o n one s u r f a c e o ft h e a c c u m u l a t i o n p a r t 7 1 ) and an l e c t r i c poWer o u r c e 75 h a ts u p p l i e s an e l e c t r i c c u r r e n t i n such a W a y h a t e l e c t r o n s ? o Wf r o m t h e f e r r o m a g n e t i c body 7 4 t o t h e a c c u m u l a t i o n p a r t 7 1 .T h e n j e c t i o n o f p i n p o l a r i Z e d l e c t r o n s i n t h e f e r r o m a g n e t i cbody i n t o t h e accumulation p a r t 7 1 can c a u s e a s p i n c u r r e n ta n d s p i n a c c u m u l a t i o n i n t h e a c c u m u l a t i o n p a r t 7 1 .[ 0 0 8 5 ] The d e t e c t i o n pa rt 7 3 i n c l u d e s a n I r O 2 pa rt I r O 2W i r e 7 6 ) p r o v i d e d on h e a c c u m u l a t i o n p a r t 7 1 o n o n e s u r f a c eof h e accumulation a r t 7 1 ) and s e n s o r 7 7 h a t m e a s u r e s , a st h e s p i n a m o u n t ( o r t h e s p i n a c c u m u l a t i o n a m o u n t ) , a n e l e ct r i c c u r r e n t g e n e r a t e d b y t h e i n v e r s e s p i n H a l l e f f e c t o f r O 2 .S p e c i ? c a l l y , t h e s p i n c u r r e n t ? o W i n g n t h e a c c u m u l a t i o n a r t7 1 ?oWs n t o t h e I r O 2 W i r e 7 6 and s c o n v e r t e d i n t o t h e l e c t r i cc u r r e n t b y th e i n v e r s e s p i n H a l l e f f e c t o f I r O 2 W h i c h g e n e ra t e s a p o t e n t i a l d i f f e r e n c e betWeen b o t h e n d s o f t h e I r O 2W i r e ) . T h e n , t h e s e n s o r 77 W h i c h s a v o l t m e t e r ) m e a s u r e s t h ep o t e n t i a l d i f f e r e n c e b e t W e e n b o t h e n d s o f t h e I r O 2 W i r e 7 6 .The p o t e n t i a l d i f f e r e n c e t h u s m e a s u r e d d e p e n d s o n t h e s p i na c c u m u l a t i o n amount i n t h e a c c u m u l a t i o n p a r t 7 1 and t h ed i r e c t i o n o f t h e s p i n .[ 0 0 8 6 ] The e l e c t r i c poWer s o u r c e 7 5 c o n s t a n t - c u r r e n tp o W e r s u p p l y ) i s u s e d t o i n j e c t s p i n s f r o m th e f e r r o m a g n e t i c

J u n . 2 0 , 2 0 1 3

body 7 4 t o t h e a c c u m u l a t i o n p a r t 7 1 . The d i r e c t i o n o f t h es p i n s i n j e c t e d o a n d a c c u m u l a t e d i n t h e a c c u m u l a t i o n p a r t 7 1i s t h e same s t h e d i r e c t i o n o f a g n e t i Z a t i o n o f t h e f e r r o m a gn e t i c body 7 4 . I n t h e c a s e Where t h i s a p p a r a t u s i s used a s amagnetic ? e l d s e n s o r , a medium o r Which h e measurementi s t o b e p e r f o r m e d s b r o u g h t i n t o c o n t a c t W i t h t h e e n d f a c e o ft h e f e r r o m a g n e t i c body 7 4 a n d t h e e n d f a c e o f t h e a c c u m u l at i o n p a r t 7 1 . T h e n , a m a g n e t i c ? e l d d e r i v e d f r o m t h e mediumW i l l c a u s e a change i n t h e d i r e c t i o n o f m a g n e t i Z a t i o n o f t h ef e r r o m a g n e t i c b o d y 7 4 , c o n s e q u e n t l y l e a d i n g t o a c h a n g e i nt h e d i r e c t i o n o f s p i n s a c c u m u l a t e d i n t h e a c c u m u l a t i o n p a r t7 1 . Hence c h a n g e i n t h e d i r e c t i o n o f h e s p i n c u r r e n t ?oWingi n t o I r O 2 , Which c a n be d e t e c t e d as a change i n t h e p o t e n t i a ld i f f e r e n c e . The a g n i t u d e o f t h e m a g n e t i c ? e l d d e r i v e d f r o mt h e medium a n b e c a l c u l a t e d f r o m t h e c h a n g e i n t h e p o t e n t i a ld i f f e r e n c e .[ 0 0 8 7 ] I t i s d e s i r a b l e t h a t t h e m a t e r i a l o f t h e a c c u m u l a t i o np a r t 7 1 b e a m a t e r i a l h a v i n g a l a r g e s p i n r e l a x a t i o n l e n g t h ,Which ma y b e a m e t a l s u c h as A l , Mg, C u , o r Ag, an a l l o yt h e r e o f , a semiconductor such s S i , Ge, o r GaAs, o r a superconductor such a s A l or Nb.[ 0 0 8 8 ] I t i s n e c e s s a r y t h a t t h e d i s t a n c e L7 e t W e e n t h e I r O 2W i r e 7 6 a n d t h e f e r r o m a g n e t i c body 7 4 b e n o t l a r g e r t h a n t h es p i n r e l a x a t i o n l e n g t h o f th e n o n - m a g n e t i c m a t e r i a l 7 1 . F o re x a m p l e , a t a m b i e n t t e m p e r a t u r e , t h e s p i n r e l a x a t i o n l e n g t ho f Cu s a p p r o x i m a t e l y 3 0 0 n m , t h e s p i n r e l a x a t i o n l e n g t h o fA u s a p p r o x i m a t e l y 5 0 n m , a n d t h e s p i n r e l a x a t i o n l e n g t h o fAl s a p p r o x i m a t e l y 400 nm. t i s p r e f e r r e d t h a t t h e d i s t a n c eL7 e t W e e n t h e I r O 2 W i r e 7 6 a n d t h e f e r r o m a g n e t i c body 7 4be s h o r t e r , because a s h o r t e r d i s t a n c e L7 i l l l e a d t o a l a r g e rp o t e n t i a l d i f f e r e n c e t o b e d e t e c t e d .[ 0 0 8 9 ] The a t e r i a l s t h a t can be used s t h e m a t e r i a l o f t h ef e r r o m a g n e t i c b o d y 7 4 i n c l u d e N i , F e , C o , a l l o y s t h e r e o f ,amorphous a t e r i a l s s u c h a s CoiFeiB, e u s l e r m a t e r i a l ssuch a s CoiMniSi and Co4CriFeiAl, x i d e s such a sLaiSriMniO, n d f e r r o m a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r m a t e r ia l s such a s GaMnAs.[ 0 0 9 0 ] N o n - m a g n e t i c e l e m e n t s s u c h a s T i , V , C r , M n , C u ,Z n , B , A l , G a , C , S i , G e , S n , N , P , S b , 0 , S , M o , R u , A g , H f ,T a , W, r , P t , a n d A u may e a d d e d t o t h e a b o v e - m e n t i o n e dm a t e r i a l s a s n e c e s s a r y i n o r d e r t o c o n t r o l magnetic c h a r a ct e r i s t i c s a n d c h e m i c a l p r o p e r t i e s .[ 0 0 9 1 ] The e r r o m a g n e t i c b o d y 7 4 may e a f e r r o m a g n e t i ct h i n ? l m made of one of h e above-mentioned a t e r i a l s o r am u l t i - l a y e r t h i n ?lm made p o f m u l t i p l e k i n d s o f t h i n ?lml a y e r s t h a t a r e l a m i n a t e d t o g e t h e r .[ 0 0 9 2 ] I t i s p r e f e r r e d t h a t t h e ?lm h i c k n e s s d 7 o f t h e f e rr o m a g n e t i c body 7 4 b e n o t s m a l l e r t h a n 2 nm, i n vieW o fn o i s e s i n m e a s u r i n g th e p o t e n t i a l d i f f e r e n c e a n d m a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i c s .

H i g h F r e q u e n c y S p i n W a v e G e n e r a t i n g A p p a r a t u s[ 0 0 9 3 ] F I G . 8 i s a s c h e m a t i c diagram shoWing an exemp l a r y c o n s t r u c t i o n o f a h i g h f r e q u e n c y s p i n Wave e n e r a t i n ga p p a r a t u s a c c o r d i n g t o a n em b o d i m e n t . The h i g h f r e q u e n c ys p i n Wave e n e r a t i n g a p p a r a t u s a c c o r d i n g o t h i s embodimentg e n e r a t e s a s p i n Wave n a m a g n e t i c body r a h i g h f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i c Wave t i l i Z i n g th e s p i n H a l l e f f e c t c o n v e rs i o n o f e l e c t r i c c u r r e n t i n t o s p i n c u r r e n t ) o f I r O 2 . I n t h ef o l l o W i n g , t h e c o n s t r u c t i o n o f t h e h i g h f r e q u e n c y s p i n Waveg e n e r a t i n g a p p a r a t u s W i l l b e d e s c r i b e d s p e c i ? c a l l y W i t h r e ference t o FIG. 8 .[ 0 0 9 4 ] T h e h i g h f r e q u e n c y s p i n W a v e g e n e r a t i n g a p p a r a t u si n c l u d e s a p l a t e - l i k e I r O 2 W i r e 8 1 , a m a g n e t i c body 8 2 p r o


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v i d e d on h e I r O 2 W i r e 8 1 o n o n e s u r f a c e o f h e I r O 2 W i r e 8 1 ) ,and n l e c t r i c power o u r c e 8 3 c u r r e n t s o u r c e ) t h a t s u p p l i e san e l e c t r i c c u r r e n t t o t h e I r O 2 Wire 64 s o t h a t a s p i n c u r r e n t? o w i n g t o W a r d h e m a g n e t i c b o d y 8 2 s g e n e r a t e d b y h e s p i nH a l l e f f e c t . S p e c i ? c a l l y , a s t h e e l e c t r i c poWer s o u r c e 83 s u pp l i e s a n e l e c t r i c c u r r e n t ?oWing n t h e W i r i n g d i r e c t i o n ( t h ey - d i r e c t i o n i n F I G . 8 ) o f t h e I r O 2 W i r e 8 1 , a s p i n c u r r e n t? o W i n g t o W a r d h e m a g n e t i c b o d y 8 2 i s g e n e r a t e d n t he I r O 2W i r e . The d i r e c t i o n of s p i n of h e s p i n c u r r e n t can be cont r o l l e d by t h e d i r e c t i o n o f t h e e l e c t r i c c u r r e n t .[ 0 0 9 5 ] I f t h e m a g n e t i c b o d y 8 2 i s e l e c t r i c a l l y c o n d u c t i v e ,t h e s p i n c u r r e n t g e n e r a t e d i n I r O 2 ?oWs i n t o t h e m a g n e t i cbody 2 . I n t e ra c t i o n o f t h e s p i n c u r r e n t a n d l o c a l i Z e d s p i n s i nt h e m a g n e t i c b o d y 8 2 g e n e r a t e s a t o r q u e n t h e l o c a l i Z e d s p i n ss p i n t o r q u e ) . T h i s s p i n t o r q u e c a u s e s a p r e c e s s i o n o f t h e

m a g n e t i Z a t i o n o f t h e m a g n e t i c body 8 2 a t a c h a ra c t e r is t i cf r e q u e n c y o f h e m a g n e t i c b o d y 8 2 . By h e p r e c e s s i o n , a h i g hf r e q u e n c y e l e c t r o m a g n e t i c Wave s g e n e r a t e d , o r a s p i n Wavei s g e n e r a t e d i n t h e m a g n e t i c b o d y 8 2 .[ 0 0 9 6 ] I f t h e m a g n e t i c b o d y 8 2 i s e l e c t r i c a l l y i n s u l a t i v e ,s p i n - o r b i t i n t e r a c t i o n W i t h r e s p e c t t o t h e s p i n c u r r e n t g e n e ra t e d i n I r O 2 i s t r a n s f e r r e d a t t h e i n t e r f a c e o f I r O 2 a n d t h em a g n e t i c b o d y 8 2 , c a u s i n g a p r e c e s s i o n o f h e m a g n e t i Z a t i o no f h e m a g n e t i c b o d y 8 2 . By h e p r e c e s s i o n , a h i g h f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i c Wave s g e n e r a t e d , o r a s p i n Wave s g e n e ra t e d i n t h e m a g n e t i c b o d y .[ 0 0 9 7 ] The h a r a c t e r i s t i c f r e q u e n c y o f t h e p r e c e s s i o n c a nbe e l e c t i v e l y s e t i n a r a n g e from u b g i g a h e r t Z t o s e v e r a l t e n sg i g a h e r t Z b y c h a n g i n g h e m a t e r i a l a n d s h a p e o f h e m a g n e t i cb o d y 8 2 .[ 0 0 9 8 ] A a g n e t i c ? e l d may b e a p p l i e d t o th e h i g h f r eq u e n c y s p i n Wave e n e r a t i n g a p p a r a t u s t o a c h i e v e s t a b l e s e l fo s c i l l a t i o n a n d t o c h a n g e t h e f r e q u e n c y e x t e r n a l l y .[ 0 0 9 9 ] T h e m a g n e t i c b o d y 8 2 may e a f e r r o m a g n e ti c b o d y ,a n a n t i f e r r o m a g n e t i c b o d y , o r a m a g n e t o - d i e l e c t r i c body e pr e s e n t e d b y f e r r i t e . U s a b l e f e r r o m a g n e t i c m a t e r i a l s i n c l u d eN i , F e , C o , a l l o y s t h e r e o f , a m o r p h o u s m a t e r ia ls s u c h a sCoiFeiB, H e u s l e r m a t e r i a l s s u c h a s CoiMniSi andCo4CriFeiAl, x i d e s s u c h a s LaiSriMn4O, nd err o m a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l s s u c h a s GaMnAs.U s a b l e a n t i f e r r o m a g n e t i c m a t e r i a l s i n c l u d e M n , C r , a l l o y st h e r e o f , and o x i d e s s u c h a s CoiO nd N i 4 O .[ 0 1 0 0 ] N o n - m a g n e t i c e l e m e n t s s u c h a s T i , V , C r , M n , C u ,Z n , B , A l , G a , C , S i , G e , S n , N , P , S b , 0 , S , M o , R u , A g , H f ,T a , W, r , P t , a n d A u may e a d d e d t o t h e a b o v e - m e n t i o n e dm a t e r i a l s a s n e c e s s a r y i n o r d e r t o c o n t r o l magnetic c h a r a ct e r i s t i c s a n d c h e m i c a l p r o p e r t i e s .[ 0 1 0 1 ] The a g n e t i c body 8 2 may e a m a g n e t i c t h i n ?lmmade of one of t h e above-mentioned m a t e r i a l s o r a m u l t il a y e r t h i n ?lm made p o f m u l t i p l e k i n d s o f t h i n ?lm a y e r st h a t a r e l a m i n a t e d t o g e t h e r .

S p i n Wave e t e c t i o n A p p a r a t u s[ 0 1 0 2 ] F I G . 9 i s a s c h e m a t i c diagram shoWing an exemp l a r y c o n s t r u c t i o n o f a s p i n Wave e t e c t i o n a p p a r a t u s a c c o r di n g t o an embodiment. The s p i n Wave d e t e c t i o n a p p a r a t u sa c c o r d i n g to t h i s embodiment d e t e c t s a s p i n Wave u t i l i Z i n gt h e i n v e r s e s p i n H a l l e f f e c t c o n v e r s i o n o f s p i n c u r r e n t i n t oe l e c t r i c c u r r e n t ) o f I r O 2 . I n t h e f o l l o W i n g , th e c o n s t r u c t i o n o ft h e s p i n Wave d e t e c t i o n a p p a r a t u s W i l l b e d e s c r i b e d s p e c i ?c a l l y W i t h r e f e r e n c e t o F I G . 9 .[ 0 1 0 3 ] The p i n Wave e t e c t i o n a p p a r a t u s i n c l u d e s a p l a t el i k e m a g n e t i c b o d y 9 1 , a s u p p l y p a r t 9 2 t h a t s u p p l i e s e n e r g yf o r g e n e r a t i n g a s p i n Wave i n t h e m a g n e t i c body 9 1 , and a

J u n . 2 0 , 2 0 1 3

d e t e c t i o n p a r t 9 3 t h a t d e t e c t s t h e s p i n Wave g e n e r a t e d i n t h em a g n e t i c body 1. I n t h e e x e m p l a r y c a s e shoWn n F I G . 9 , t h es u p p l y p a r t 9 2 i s p r o v i d e d o n t h e m a g n e t i c b o d y 9 1 o n o n es u r f a c e o f h e m a g n e t i c b o d y 9 1 ) .[ 0 1 0 4 ] T h e s u p p l y p a r t 9 2 l o c a l l y s u p p l i e s e n e r g y t o t h em a g n e t i c b o d y 9 1 , W h e r e b y a sp i n Wave s g e n e r a t e d i n t h em a g n e t i c body 9 1 . The e n e r g y may e t h e r m a l e n e r g y s u pp l i e d b y l a s e r l i g h t , m a g n e t o s t a t i c e n e r g y s u p p l i e d b y a p p l ic a t i o n o f a p u l s e d m a g n e t i c ? e l d , o r s p i n t o r q u e e n e r g y s u pp l i e d u t i l i Z i n g a s p i n c u r r e n t .[ 0 1 0 5 ] The e t e c t i o n p a r t 9 3 i n c l u d e s a n I r O 2 W i r e 9 4 p r ov i d e d on t h e m a g n e t i c body 9 1 o n o n e s u r f a c e o f t h e m a gn e t i c body 9 1 ) and a s e n s o r 95 t h a t m e a s u r e s , a s t h e s p i nW a v e , a n e l e c t r i c c u r r e n t g e n e r a t e d by t h e i n v e r s e s p i n H a l le f f e c t o f t h e I r O 2 W i r e .[ 0 1 0 6 ] I n th e m a g n e t i c b o d y 9 1 i n t h e r m a l e q u i l i b r i u m , t h ed i r e c t i o n s o f s p i n s a r e r e g u l a r l y a r r a n g e d b y e x c h a n g e i n t e ra c t i o n . W i t h s u p p l y o f e n e r g y , t h e s p i n a r r a n g e m e n t s l o c a l l yd i s t u r b e d . T h e n , a s p i n Wave s g e n e r a t e d b y e x c h a n g e i n t e ra c t i o n b e t W e e n a d j o i n i n g s p i n s . T h e s p i n W a v e t h u s g e n e r a t e dp r o p a g a t e s i n t h e m a g n e t i c b o d y 9 1 .[ 0 1 0 7 ] T h e p r o p a g a t i n g s p i n Wave e v e n t u a l l y r e a c h e s t h eI r O 2 W i r e , a n d t h e s p i n Wave i n t h e m a g n e t i c b o d y 9 1 i sq u i c k l y a t t e n u a t e d by i n t e r a c t i o n a t t h e c o n t a c t i n t e r f a c e o ft h e I r O 2 W i r e 9 4 a n d th e m a g n e t i c b o d y 9 1 . In a d d i t i o n ,s p i n - o r b i t i n t e r a c t i o n i s t r a n s f e r r e d a t t h i s c o n t a c t i n t e r f a c e ,s o t h a t t h e s p i n Wave ?oWs i n t o t h e I r O 2 W i r e 94 a s a s p i nc u r r e n t . The s p i n c u r r e n t i s c o n v e r t e d i n t o an e l e c t r i c c u r r e n tb y t h e i n v e r s e s p i n H a l l e f f e c t , W h i c h i s m e a s u r e d b y t h es e n s o r 95 a s a p o t e n t i a l d i f f e r e n c e . T h u s , t h e s p i n Wave i sd e t e c t e d a s a p o t e n t i a l d i f f e r e n c e .[ 0 1 0 8 ] T h e m a g n e t i c b o d y 9 1 may e a f e r r o m ag n e t i c b o d y ,a n a n t i f e r r o m a g n e t i c b o d y , o r a m a g n e t o - d i e l e c t r i c body e pr e s e n t e d b y f e r r i t e . U s a b l e f e r r o m a g n e t i c m a t e ri a l s i n c l u d eN i , F e , C o , a l l o y s t h e r e o f , a m o r p h o u s m a t e r ia ls s u c h a sCoiFeiB, H e u s l e r m a t e r i a l s s u c h a s CoiMniSi andCo4CriFeiAl, x i d e s s u c h a s LaiSriMn4O, nd err o m a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l s s u c h a s GaMnAs.U s a b l e a n t i f e r r o m a g n e t i c m a t e r i a l s i n c l u d e M n , C r , a l l o y st h e r e o f , and o x i d e s s u c h a s CoiO nd N i 4 O .[ 0 1 0 9 ] N o n - m a g n e t i c e l e m e n t s s u c h a s T i , V , C r , M n , C u ,Z n , B , A l , G a , C , S i , G e , S n , N , P , S b , 0 , S , M o , R u , A g , H f ,T a , W, r , P t , a n d A u may e a d d e d t o t h e a b o v e - m e n t i o n e dm a t e r i a l s a s n e c e s s a r y i n o r d e r t o c o n t r o l magnetic c h a r a ct e r i s t i c s a n d c h e m i c a l p r o p e r t i e s .[ 0 1 1 0 ] As d e s c r i b e d i n t h e f o r e g o i n g , a c c o r d i n g t o t h ee m b o d i m e n t , t h e r e c a n b e p r o v i d e d a n e l e c t r i c c u r r e n t - s p i nc u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c e W i t h h i g h c o n v e r s i o n e f ? c i e n c y b yp e r f o r m i n g c o n v e r s i o n betWeen l e c t r i c c u r r e n t and p i n c u rr e n t t i l i Z i n g t h e s p i n H a l l e f f e c t o r t h e i n v e r s e s p i n H a l l e f f e c tof 5d r a n s i t i o n metal o x i d e .[ 0 1 1 1 ] As e s c r i b e d a b o v e , t h e l e c t r i c c u r r e n t - s p i n c u r r e n tc o n v e r s i o n d e v i c e a c c o r d i n g t o t h e embodiment can be usedi n p l a c e o f c o n v e n t i o n a l l y u s e d f e r r o m a g n e t i c b o d y n a s p i naccumulation a p p a r a t u s , a s p i n accumulation amount meas u r i n g a p p a r a t u s o r t h e l i k e . T h u s , t h e r e can be p r o v i d e d a na p p a r a t u s f r e e f r o m t h e p r o b l e m o f a g n e t o st a ti c c o u p l i n g o rt h e p r o b l e m o f a l e a k a g e m a g n e t i c ? e l d t h r o u g h a n e n d o f h ef e r r o m a g n e t i c b o d y .[ 0 1 1 2 ] M o r e o v e r , b e c a u s e a p p a r a t u s e s ( o r l o g i c e l e m e n t s )s u c h a s t h e a b o v e - d e s c r i b e d h i g h f r e q u e n c y s p i n Wave g e ne r a t i n g a p p a r a t u s a n d t h e s p i n Wave d e t e c t i o n a p p a r a t u se n a b l e s h i g h s p e e d t r a n s m i s s i o n o f i n f o r m a t i o n , t h e y a r e c o ns i d e r e d to b e p r o m i s i n g a s u l t r a h i g h s p e e d i n f o r m a t i o n p r o


15/15

US 2013/0154633 A 1

c e s s i n g e l e m e n t s . W h i l e th e h i g h f r e q u e n c y s p i n Wave g e ne r a t i n g a p p a r a t u s a n d t h e s p i n Wave e t e c t i o n a p p a r a t u s h a v eb e e n d e s c r i b e d b y Way o f e x a m p l e , v a r i o u s a p p a r a t u s e s c a nb e p r o v i d e d b y c o m b i n i n g t h e m .

REFERENCE SIGNS LIST[ 0 1 1 3 ] 6 1 , 7 1 : a c c u m u l a t i o n p a r t[ 0 1 1 4 ] 6 2 , 7 2 : s p i n i n j e c t i o n p a r t[ 0 1 1 5 ] 6 3 : m a g n e t i c ? e l d d e t e c t i o n p a r t[ 0 1 1 6 ] 6 4 , 7 6 , 8 1 , 9 4 : W i r e[ 0 1 1 7 ] 6 5 , 7 5 , 8 3 : e l e c t r i c poWer s o u r c e[ 0 1 1 8 ] 6 6 , 7 4 : f e r r o m a g n e t i c b o d y[ 0 1 1 9 ] 6 7 , 7 7 , 9 5 : s e n s o r[ 0 1 2 0 ] 7 3 , 9 3 : d e t e c t i o n p a r t[ 0 1 2 1 ] 8 2 , 9 1 : m a g n e t i c b o d y[ 0 1 2 2 ] 9 2 : s u p p l y p a r t

1 . An l e c t r i c c u r r e n t - s p i n c u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c e c h a ra c t e r i Z e d by p e r f o r m i n g c o n v e r s i o n b e t W e e n e l e c t r i c c u r r e n ta n d s p i n c u r r e n t u t i l i Z i n g t h e s p i n H a l l e f f e c t o r t h e i n v e r s es p i n H a l l e f f e c t o f a 5d r a n s i t i o n m e t a l o x i d e .

2 . An e l e c t r i c c u r r e n t - s p i n c u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c ea c c o r d i n g t o c l a i m 1 , c h a r a c t e r i Z e d i n t h a t s a i d 5d r a n s i t i o nm e t a l o x i d e c o n t a i n s I r .

3 . A p i n a c c u m u l a t i o n a p p a r a t u s c h a r a c t e r i Z e d b y comp r i s i n g :a n o n - m a g n e t i c body i n Which n j e c t e d s p i n s a r e accumul a t e d ; a n da n i n j e c t i o n u n i t t h a t i n j e c t s s p i n s i n t o s a i d n o n - m a g n e t i cb o d y ,W h e r e i n s a i d i n j e c t i o n u n i t c o m p r i s e s a n e l e c t r i c c u r r e n t

s p i n c u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c e a c c o r d i n g t o c l a i m 1 o r 2p r o v i d e d on s a i d n o n - m a g n e t i c b o d y , and a n e l e c t r i cpoWer s o u r c e t h a t s u p p l i e s an e l e c t r i c c u r r e n t t o s a i de l e c t r i c c u r r e n t - s p i n c u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c e i n s u c h aWay t h a t a s p i n c u r r e n t ?oWing t o W a r d s a i d non-magn e t i c b o d y s g e n e r a t e d b y t h e s p i n H a l l e f f e c t .

J u n . 2 0 , 2 0 1 3

4 . A p i n a c c u m u l a t i o n amount e a s u r i n g a p p a r a t u s c h a ra c t e r i Z e d b y c o m p r i s i n g :a n o n - m a g n e t i c body i n Which n j e c t e d s p i n s a r e accumul a t e d ;a n i n j e c t i o n u n i t t h a t i n j e c t s sp i n s i n t o s a i d n o n - m a g n e t i cb o d y , a n da measuring n i t t h a t measures t h e amount of p i n s accum u l a t e d i n s a i d n o n - m a g n e t i c b o d y ,W h e r e i n s a i d m e a s u r i n g u n i t c o m p r i s e s a n l e c t r i c c u r r e n t

s p i n c u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c e a c c o r d i n g to c l a i m 1 o r 2p r o v i d e d on s a i d n o n - m a g n e t i c b o d y , and a s e n s o r t h a tm e a s u r e s , a s t h e amount of p i n s , e l e c t r i c c u r r e n t gene r a t e d by t h e i n v e r s e s p i n H a l l e f f e c t o f t h e e l e c t r i cc u r r e n t - s p i n c u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c e .5 . A i g h f r e q u e n c y s p i n Wave e n e r a ti n g a p p a r at u s c h a ra c t e r i Z e d b y c o m p r i s i n g :

an e l e c t r i c c u r r e n t - s p i n c u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c e a c c o r di n g t o c l a i m 1 o r 2 ;

a m a g n e t i c body p r o v i d e d on s a i d e l e c t r i c c u r r e n t - s p i nc u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c e ; and

an l e c t r i c poWer source h a t s u p p l i e s an l e c t r i c c u r r e n t t os a i d e l e c t r i c c u r r e n t - s p i n c u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c e i ns u c h a Way h a t a s p i n c u r r e n t ?oWing toWard s a i d m a gn e t i c b o d y s g e n e r a t e d b y t h e s p i n H a l l e f f e c t .

6 . A p i n Wave e t e c t i o n a p p a r a t u s c h a r a c t e r i z e d by comp r i s i n g :a m a g n e t i c b o d y ;a s u p p l y u n i t t h a t s u p p l i e s e n e r g y f o r g e n e r a t i n g a s p i nWave i n s a i d m a g n e t ic b o d y ; a n da d e t e c t i o n u n i t t h a t d e t e c t s t h e s p i n Wave e n e r a t e d i n s a i dm a g n e t i c b o d y ;Wherein s a i d d e t e c t i o n u n i t c o m p r i s e s an e l e c t r i c c u r r e n t

s p i n c u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c e a c c o r d i n g to c l a i m 1 o r 2p r o v i d e d on s a i d m a g n e t i c b o d y , and a s e n s o r t h a td e t e c t s , a s s a i d s p i n W a v e , e l e c t r i c c u r r e n t g e n e r a t e d byt h e i n v e r s e s p i n H a l l e f f e c t o f t h e e l e c t r i c c u r r e n t - s p i nc u r r e n t c o n v e r s i o n d e v i c e .

PATENT Fujiwara Et Al_2013_Electric Current-spin Current Conversion Device

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