NIMSら,グラフェンのスピンの向きの制御に成功

物質・材料研究機構(NIMS),量子科学技術研究開発機構,筑波大学,慶應義塾大学らは,グラフェン回路を用いたスピントランジスタの実現にかかせない電子スピンの向きを制御する新技術の開発に成功した(ニュースリリース)。

スピントロニクスが次世代情報技術の主役へと発展するためには,演算デバイスの中で中心的な役割を担うスピントランジスタの実現が鍵になる。グラフェンは,スピンの向きを長距離に保持できる導線の材料としてスピントランジスタへの応用が注目されている。

グラフェンをスピントランジスタに用いることで,演算デバイスへの応用に適した高速でエネルギー消費の少ないスピントランジスタの実現が期待されている。しかし,グラフェン回路でスピントランジスタを構成するためには,グラフェンの中を流れる電子のスピンの向きを偏らせる技術の開発が鍵となっていた。

今回,研究グループは,電流が流れない絶縁体の性質を持つ磁性体をグラフェンと貼り合わせることで,磁性絶縁体からの作用によってグラフェンを流れる電子のスピンの向きを制御できないかと考えた。

そこで,絶縁体の性質を持つ磁性体であるイットリウム鉄ガーネット(YIG)に着目。高品質なYIGの薄膜をグラフェンと原子レベルで接触するよう貼り合わせた接合を作製し,量子ビームの一種であるスピン偏極ヘリウムビームを用いて,グラフェンとYIGの接合に含まれるグラフェンの電子のスピンを観測した。

その結果,グラフェンのスピンはYIGのスピンと相互作用しており,YIGのスピンの向きに応じてグラフェンのスピンの向きを自在に操作できることが明らかになった。さらに,グラフェンとYIGの接合では,界面の付近でYIGの性質が変化してグラフェンの中を移動する電子のスピンに働く磁場(スピン軌道相互作用)が強められている可能性も明らかになった。

この成果は,今日のエレクトロニクスが抱える性能向上の限界や電力消費の問題解決に繋がるスピントロニクスの発展に向けて道を拓くもの。今後,情報機器による電力消費の著しい削減や充電の必要がない携帯端末などの実現が期待できるとしている。

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