理研ら,トポロジカル絶縁体表面で高効率スピン流を生成

理化学研究所(理研)と東北大学の共同研究グループは,トポロジカル絶縁体「(Bi1-xSbx2Te3」の表面を用いた新しい電流-スピン流変換現象の実験的観測および定量的評価に成功した(ニュースリリース)。

電流-スピン流変換は,スピントロニクスデバイスの駆動原理として重要な現象の一つ。これまで,電子の運動と電子のスピンの運動を結びつける相互作用(スピン軌道相互作用)が強い遷移金属を用いたスピンホール効果の実験から効率検証が行なわれてき。

しかし,その変換効率は低く,デバイスの低消費電力化に向けて,新しい変換原理に基づく飛躍的な効率向上が求められている。

今回,共同研究グループは,トポロジカル絶縁体(Bi1-xSbx2Te3(Bi:ビスマス、Sb:アンチモン、Te:テルル)を利用したスピントロニクス素子を作製し,トポロジカル絶縁体の表面における電流-スピン流変換現象について調べた。

その結果,界面での高効率な変換現象の観測に成功した。そして,界面での変換現象は,従来の金属系でのスピンホール効果とは本質的に異なる現象であるため,比較基準を改め新しい評価基準を定めた。

さらに,その変換係数の符合が伝導キャリアのタイプ(電子型か正孔型か)に依存しないという,トポロジカル絶縁体特有の現象を検出することに成功した。

この成果により,トポロジカル絶縁体の表面状態を利用することで高効率な電流-スピン流変換が可能であることが示された。今後,スピントロニクスデバイスにおいて,界面の電子物性を考慮した設計をすることで,省電力デバイスの実現に向けた研究が進むとしている。

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