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学問のすゝめ

スピンの流れ?

安藤 和也 (物理情報工学科 専任講師)

 スマートフォンやパソコンをはじめ、いま私たちは数え切れないほどの電子機器に囲まれています。このような世界を支えてきた半導体技術の進歩は凄まじく、今でもその成長は目覚ましいものがあります。それではこの先もずっと電子技術の発展は安泰でしょうか?実はそう簡単でもなさそうです。現在の電子技術の物理基盤は数十年前に確立されたものであり、最近の電子素子の低電力化・高速化は主に素子構造の微細化によって支えられています。しかし原子には大きさがある以上、小さくしていくことには必ず限界が訪れます。さらに素子構造微細化の限界と共に電流によるジュール熱が原因となるエネルギー損失が深刻な問題となっており、現在の電子技術「エレクトロニクス」のこのような限界を突破するためには、もっと根本的な見直しが必要そうです。

 このような中で最近注目されているのが電子スピンの流れ「スピン流」を利用する「スピントロニクス」です。電子は電気的な性質である電荷の他に、磁気的性質であるスピンを持っています。図の左のような状況を考えてみましょう。電子スピンには上向き・下向きの2つの状態があり、左の図では逆向きのスピンを持った2つの電子が同じ方向に流れています。このときスピンだけに注目すると、逆向きのスピンが同じ方向に進んでいるので結局なにも流れていないことになります。しかし電荷に注目すると一方向への流れが生じており、電流が流れていることが分かります。一方、もし図の右のようにこの2つの電子を逆方向に動かすことができれば、電荷の流れを伴わないスピンだけの流れを作り出すことができます。このようなスピンの流れがスピン流です。電流と異なりスピン流にはオームの法則に対応するエネルギー散逸機構がありません。このためスピン流は本質的に省エネルギーの情報輸送キャリアとなることが期待されており、スピントロニクスはこれを利用することで新たな素子機能の発現や超省エネルギー電子技術の実現を目指しています。

 私たちが現在当たり前のように使っている電流と比べ、スピン流はまだその一部が理解されているに過ぎません。現在私たちはスピン流の基礎的な物理を開拓することで、スピントロニクスの物理基盤を構築しています。スピン流を使った電子技術のコアとなるのは、スピン流を作り・制御し・測ることです。これまでにあらゆる物質中でスピン流を作り出す方法を確立し(Nature Materials 2011)、これを利用することで現代の半導体技術で最も重要な物質のひとつであるSi中の相対論的効果によるスピン流の電気的検出に成功しました(Nature Communications 2012)。さらに最近になり、電気を流すプラスチック中で非常に高い効率のスピン流−電気信号変換が予想に反して実現されることが明らかになりました(Nature Materials 2013)。

 スピン流だけで動作する超省エネルギー電子情報処理素子を実現するためにはまだいくつものブレイクスルーが必要で、現在世界中の大学・企業の研究者が鎬を削っています。物質中でスピン流が生み出す多彩な物理現象を自在に制御し、電流ベースの電子技術を超える新時代の電子技術を創り出せるか。もしかするとその答えは明日にでも得られるのかもしれません。

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