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結晶方位制御によるビスマスにおける巨大スピン変換の実現

京都大学大学院工学研究科の福本直輝 大学院学生(修士課程2回生)、大島諒 助教、白石誠司 教授らのグループは東京大学物性研究所の坂本祥哉 助教、三輪真嗣 准教授らのグループ、電気通信大学の伏屋雄紀 准教授と共同で、スピントロニクス※1技術において極めて重要な高効率に電流からスピン流※2を生み出す物質としてビスマスが非常に優れていることを実験的に証明することに成功しました。

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A: 今回の研究で用いたBiの(110)結晶におけるスピン流(Js)生成の概念図。g因子が大きな方向にスピンを生成できるためスピン変換効率を大きくできる。 B:従来研究で用いられてきたBiの(111)結晶の場合、g因子が小さな方向でしかスピンを生成できていなかった。

高密度・高効率に記憶できるスピン注入メモリ(MRAM)に応用上大きな期待が集まっており、世界的に激しい研究開発競争が行われています。記憶層の書き込みには、従来用いられてきた電流を用いた手法に対して、低いエネルギー損失かつ高耐性で書き込みが行えるスピン流を用いる手法の優位性が認識されているため、そのスピン流を高効率で生成できる手法(スピン変換手法)の開発が極めて重要です。現在最も優れた方法と認識されているのがスピンホール効果※3を用いる手法であり、一般にこの手法では原子番号の大きな材料がよいとされているため、非放射性元素の中で一番原子番号の大きなビスマス(Bi)が理想的な材料であると期待されていました。しかし実験的には、Biのスピン流生成効率は何故かこれまでほとんどゼロであるいう報告しかなく、応用研究としてだけでなく物性物理学の基礎研究としても永年の謎(未解決問題)とされていました。

今回、京都大・東大・電通大の研究グループは、Biのとりうる結晶方位と、それによるg因子※4の違いに着目しました。理論的考察から、従来研究で用いられてきたBiはg因子が小さいため原理的に極めて低いスピン流生成効率しか得られない結晶構造であることを明らかにしました。更に結晶成長方法の工夫により、g因子が大きく高効率でスピン流を生成できるBiを得ることに成功しました。実験的に得られた生成効率は全元素中で最大のものの1つであり、本来Biに期待されるレベルのスピン変換効率を達成したと言えます。本成果は、スピン注入メモリ応用に重要な成果であると同時に、基礎研究面でも永年の未解決問題を遂に解決した、という意味で極めて重要な成果です。

本成果は2023年3月24日(現地時間)に米国科学アカデミーの学術誌であるProceedings of National Academy of Science誌にオンライン掲載されました。

京都大学発表のプレスリリース

発表論文

  • タイトル:“Observation of large spin conversion anisotropy in bismuth” (ビスマスにおける大きな異方的スピン変換の観測)
  • 著者:N. Fukumoto1,*, R. Ohshima1,*, M. Aoki1, Y. Fuseya2, M. Matsushima1, E. Shigematsu1, T. Shinjo 1, Y. Ando1,3, S. Sakamoto4, M. Shiga4, S. Miwa4 and M. Shiraishi1
    1. 京都大学大学院工学研究科, 2. 電気通信大学大学院情報理工学研究科、3. JSTさきがけ、4. 東大物性研
    掲載誌:Proceedings of National Academy of Science (米国科学アカデミー紀要)
  • DOI:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2215030120
  • 用語解説

    ※1スピントロニクス:
    電子の持つスピン角運動量を情報担体として用いようとする研究分野の総称です。1980年代後半の巨大磁気抵抗効果の発見(2007年ノーベル物理学賞)によって創出された分野であり、これまでに磁気ヘッドや磁気メモリなど様々な素子に応用が広がっていると同時に、豊かで新しい基礎物性を内包する研究分野でもあります。
    ※2スピン流(※5スピンも参照のこと):
    電子の持つ電荷の自由度の流れは電流ですが、電荷の流れがなくスピン角運動量だけの流れをスピン流と言います。電流は流れないのでオームの法則の制約から逃れられ、超低消費電力で情報を伝播させることができる流れです。
    ※3スピンホール効果:
    電流を流したときにスピン流が生まれる効果です。特徴的なのは、電流が流れる方向に対して垂直方向にスピン流が発生することです。この電流⇒スピン流の生成効率(変換効率)が高いほどエネルギー的に無駄なくスピン流を作れることになります。
    ※4g因子:
    電子におけるスピン角運動量と磁気モーメント(磁気能率)の比であり通常は「2」という値を持ちますが、このシンプルな説明は原子1個が孤立しているときにのみ成り立ちます。固体の中ではg因子は結晶構造や結晶方位で大きく値を変えることが知られています。
    ※5スピン:
    スピン角運動量とも言われ、電子の持つ電荷と並んで重要な内部自由度であり、磁石の持つ磁性の源でもあります。スピンはアップとダウンの2値を持つため、情報を担うことが可能です。
    (公開日: 2023年03月27日)