東北大、相対論的効果によりSi中の磁気の流れの電気信号への変換に成功

　

　東北大学(東北大)金属材料研究所は、安藤和也助教と齊藤英治教授らの研究グループが物質中の相対論的効果を利用することでシリコン(Si)中のスピン(磁気)の流れを電気信号に変換することに成功したと発表した。同研究成果は、英国科学誌「Nature Communications」(オンライン版)に掲載された。

　次世代の省エネルギー電子デバイス技術として電子の電気的性質(電荷)の流れである電流の代わりに電子の磁気的性質(スピン)の流れ「スピン流」を利用するスピントロニクスが注目されているが、シリコンベースの量子コンピュータや超低消費電力情報処理スピンデバイスといったスピンを利用した次世代電子デバイスを実現するためには、スピン流による情報演算の結果や蓄積されたスピン情報を読み出すため、スピン流を電気信号に変換する技術の確立が最重要課題の1つとなっている。

　図1 スピントロニクスとスピン流

　今回、安藤助教らは、電子のスピン情報と軌道運動を結びつける相対論的効果を利用することで、シリコン中のスピン流を電気信号として読み出すことに成功した。

　シリコンは結晶の対称性や原子番号が小さいことからスピン情報を長時間保持可能で、スピン情報の蓄積やスピン流伝送路として有望な物質として期待されていたが、今回の研究で、シリコンがさらにスピン流の検出を可能とすることを明らかにした。

　具体的には、磁性体とシリコンから成る素子を作製し、磁気のダイナミクスを利用することでシリコン中へスピン流を注入した。シリコン層にはCMOS集積回路で用いられているSOIウェハを使用した。

　図2 シリコンへのスピン流注入の模式図と相対論的効果によるスピン流から電気信号への変換

　シリコンに注入されたスピン流は相対論的効果によってその一部が電気信号へと変換される。スピン流注入と同時にシリコン中に生じる電気信号の精密測定を行うことで、検出された電気信号がシリコン中のスピン流に起因するものであることを明らかにした。

　図3 シリコン中のスピン流―電気信号変換の観測

　相対論的座標変換であるローレンツ変換によれば、運動している磁石の一部は図2に示すように電気分極に変換される。運動している磁石、即ち磁石の流れはスピン流の存在を意味している。従って、相対性理論はスピン流が流れるとその周りに電気信号が生じることを予言している。真空中でこの機構によって生じる電気信号は非常に小さいが、物質中では物質の特性を反映して同じ対称性をもつスピン流-電気信号変換現象「逆スピンホール効果」が顕著に表れる。

　逆スピンホール効果は白金や金といった原子番号が大きな物質でのみ観測に成功していたため、シリコンのような原子番号の小さな物質で相対論的効果によるスピン流から電気信号への変換を実現することは困難であるというのが常識だった。

　今回の発見は、これまで極めて小さいと信じられてきたシリコン中の相対論的効果が予想に反して大きな電気信号を生むことを明らかにしたもので、これによりシリコンスピントロニクスデバイス設計の新たなルートが示されたほか、物質中の相対論的効果を広範囲な物質で探求することがこの方法により可能となったという。

　今回の研究成果により、成熟したシリコンLSI技術と整合性の高いシリコンスピントロニクスへの道が開かれることとなり、環境負荷の小さな次世代省エネルギーデバイス開拓への大きな推進力となることが期待されるようになるという。