慶應理工のスピン量子物性 次世代電子技術の物理基盤

電子の磁石としての性質が生み出す、スピンの流れを解明する

スピントロニクスとは、スピンという電子のもつ量子力学的自由度が生み出す新しい物理現象を探索し、電子技術への応用を目指す分野である。安藤和也さんは、電流と変換可能で、エネルギーをほとんど損失することなく情報を伝達できるとして注目されるスピン流を理論的に解き明かすことで、スピントロニクスの発展に役立てようと研究に取り組んでいる。

安藤さんが手がけるのは、電子がもつ「スピン」と呼ばれる自由度が生み出す物理現象を解明する、スピントロニクス分野の研究である。
「スピンというと自転と訳されることが多いのですが、むしろ磁石のことなのですね。電子が電荷をもつのと同様に、電子は磁石としての性質を備えています。ところが、量子の世界ではスピンは上向き／下向きのどちらか２つの状態しかとることができません。たとえば、鉄は強磁性の物質ですが、それは、上向きのスピンと下向きのスピンをもつ電子の量が違う、すなわち不均衡だからです。一方、金や銀は、上向きも下向きも同量のスピンをもつ電子が存在することから、磁石にくっつかないのです」と、安藤さんは説明する。
通常、物質に外から電圧をかけると、上下２つのスピンをもつ電子が同じ方向へ動くため、スピンの流れは全体として相殺され、電荷のみが動くことで電流が生じる。ところが、２つの電子を逆方向に運動させると、逆に電荷の流れが打ち消されて、スピンの流れだけが現れる。この電子スピンの流れが、スピン流である。
「スピン流の研究における大きな成果としては、2007 年にノーベル物理学賞を受賞したフェール（Albert Fert） とグリューンベルク（Peter Grünberg）らが 1980 年 代 に 発 見 し た、『 巨 大 磁 気抵抗効果』があります。これは、強磁性膜と非磁性膜を重ねた多層膜において、スピン流の影響により金属の電気抵抗が大きく変化する現象のこと。この発見により、ハードディスクなど記録媒体の記録容量が劇的に向上しました。この現象は電流に付随したスピン流（スピン偏極電流）により発現するものですが、2000 年頃からスピンのみの流れを作り出せるようになり、電荷の流れを伴わないスピン流の研究が盛んに行われるようになったのです」。
スピン流の最大の利点は、電流で起こる熱によるエネルギー損失がないことだ。つまり、電子の電荷の代わりにスピン流をうまく制御できれば、ほとんどエネルギーを損失することなく、量子情報が伝送できるようになる。この点がスピントロニクスが次世代電子技術として期待される最大の理由である。

そのスピン流の研究の中で安藤さんが手がけるのが、スピン流の制御に役立つ基礎的な物理現象の解明である。「そのひとつが、『逆スピンホール効果』と呼ばれる現象です。これは、スピン流が流れているときにスピン流と直交する方向に電圧が現れるというもので、2006 年から 2007 年にかけて、金属系において初めて観測されました。
この現象は、アインシュタインが発表したことで知られる特殊相対論から理解できます。特殊相対論では、『動いている物体の長さは縮んで見える』とか、『動いている時計の時間はゆっくり進む』といった不思議な現象が説明されますが、この理論を使うと、動いているスピンの一部は電気分極へと変換されます。このような相対論的現象が物質中で現れているのが逆スピンホール効果です。簡単に言えば、逆向きのスピンをもつ２つの電子が同じ方向に散乱され、電子がたまることで電圧が現れるんですね。
同様に、逆の現象も起こります。つまり、電流を流すことで２つの電子が逆方向に散乱されて、垂直方向にスピン流が発生する。これが、2004 年に複数のグループでほぼ同時に実験的に観測された、スピンホール効果です」。
こうした物理現象を理論的に解き明かすことで、磁性体を使わずにスピン流をつくったり、スピン流と電流を変換したりできるようになり、スピン流の研究が一気に加速した。安藤さんはこうした知見に基づき、現状は数％というスピン流と電流の変換効率を上げる試みや、物質界面の相対論的効果の制御など、日進月歩で進展する研究テーマに取り組んでいるところだ。

ここで安藤さんの研究で特筆すべきなのが、スピンの揺らぎがつくる「マグノン」と呼ばれる粒子の研究である。
「実はスピン流というのは、電荷が流れていなくても発生するんですね。つまり、絶縁体の中でもスピン流は流れる。この絶縁体中のスピンの流れを担うのが、スピンの揺らぎであるマグノンです。量子力学では、ゆらぎ（波）というのは、粒子と見なすことが可能で、スピンの波の粒子としての振る舞いがマグノンであり、この性質により絶縁体においても情報の伝送が可能になるのです」。
従来の電流による情報処理では、半導体などの電気伝導性をもつ物質が不可欠だったが、絶縁体で情報処理ができれば、材料として使える物質の幅が大きく広がることになる。
「しかも、電気伝導性をもつ物質ではスピン流はわずか数ナノメートルから数百ナノメートル程度で消えてしまうのですが、絶縁体中では数ミリメートルと桁違いの距離をスピン流は伝導する。また、金属と絶縁体の界面では、スピン流を運ぶキャリアが伝導電子からマグノンへと変換されるのですが、その際に、このマグノンの寿命が変換効率の鍵を握ることを最近、突きとめました」と、安藤さんは言う。この画期的な発見は、2014 年 12 月に『NatureCommunications』に掲載された。
さらに、マグノンの分裂・結合が引き起こす非線形物理の解明にも挑む。
「マグノンというのは、いきなり 2 つに分裂したり、2 つのマグノンが 1 つに結合したりと電子とは違う性質をもちます。そうした動きを、外から制御したり、スピントロニクス現象に与える影響を明らかにしようとしています。スピントロニクスに使える材料が広がったり、スピン流を自在に制御できたりするようになれば応用につながるわけですが、そのための基礎的な物理を解き明かすのが私の研究の目的です」。
さらに最近では、有機物におけるスピン流の研究も手がけている。有機物中における電流からスピン流への変換効率は低いが、スピン流の寿命はマイクロ秒と比較的長く、スピントロニクスにおける新たな材料としての可能性を探りたいと安藤さんは展望を語る。
「磁性の研究は日本が強い分野なのですが、次世代メモリとして注目されるホットな研究だけに、企業も含めてライバルが非常に多いのです。その中で、マグノンや有機材料など、未踏の分野を自らの手で切り拓いていきたいと思っています」。

出身は、愛知県稲沢市というところです。ちょうど名古屋と岐阜の中間くらい、名古屋から電車で10分程度というベッドタウンで高校まで過ごしました。
両親も妹も、親戚も、理系にはまるで縁のない一家に育ちましたが、なぜか幼い頃から図鑑が好きな、マニアックな子どもだったようです。覚えているのは、ミニカーを集めていたことですね。とにかく車が好きで、通りすぎる車の車種をすべて言い当てることができたと親が言っていました。今は車すらもっていないのですが……（笑）。ハマったら熱中するタイプの子どもだったようです。
それから、小学生の頃から理数系が得意で、夏休みの宿題は友達と分担して、自分は理科と算数を担当していました。ただ、実験はあまり好きではありませんでしたね。どちらかというと、頭で考えることが好きだったのかもしれません。
ちなみに、電車通学が嫌だったので、小中高と一貫して、すべて家から徒歩や自転車で通学できる公立校に通っていました。家からだと多くの私立校が名古屋方面にあって、朝の通勤ラッシュに巻き込まれることは目に見えていましたからね。実は、大学で慶應に進学した際も歩いて通える日吉に住んでいましたし、今も大学のそばに住んでいるんですよ。

入学当初、テニスサークルに一瞬入りましたが、すぐに辞めてしまいました。また、研究室に入る前は塾講師や家庭教師などのアルバイトをしていましたが、研究室に入る際に、勉強に集中しようと辞めました。もちろん、息抜きで、学部のときの学生実験グループの仲間や研究室の仲間と飲みに行くことはありましたよ。

運が良かったというのもあるのですが、できたばかりの研究室で好きなように研究ができたことに加えて、新しい研究分野で次々に成果が生まれ、とにかく研究が面白かったのです。年に1回くらいは予想もしなかったようなデータが出ることがあって、その意味するところを理解した瞬間の、霧が晴れていくような爽快感はたまりませんでした。それこそ新しい現象を見つけたときは、自分だけがこの真実を知っているという特別な感覚に満たされるものです。研究者冥利に尽きる瞬間ですね。
修士2年のときには、自分で仮説を立てて実験し、理論模型までつくって独力で論文にまとめることができ、大きな達成感を味わうこともできました。　実は、いつだったか齊藤先生に「次は何の研究をやったらいいですか？」と尋ねたことがあります。ところが、先生からの返答は、「安藤君なら大丈夫でしょう」というものでした。こうしたことがきっかけとなって、しだいに研究者としてやっていく自信がついたように思います。もっとも親からは、「まだ勉強するの？」と言われたこともありましたが、奨学金をもらっていたので、とくに反対されることはありませんでした。
結局、4年から博士課程までに、共著も含めて十数本の論文を書き、修士・博士課程を3年間と、短期間で修了しました。

博士を修了する少し前に齊藤先生が東北大学に移られていたのですが、声をかけていただき、ふたたび先生の下で研究することになりました。東北大学では実験室も広く、装置も充実していて、非常にいい環境の中で3年間にわたり研究に専念することができました。その後、慶應大学から声をかけていただき、2013年4月からこちらで研究室をもつようになりました。
あまりにトントン拍子だったこともあって、実は海外留学には3週間しか行ったことがないのです。英会話を学んだのは、齊藤先生の研究室にケンブリッジ大学から来ていたポスドクと一緒に実験をした3カ月間くらいですね。学会などで発表もするので専門の会話には困りませんが、今も、日常会話は少々苦手です（笑）。