東工大,原子の構造制御でエネルギー損失を軽減

東京工業大学は,ナノ材料の原子配列と電子の後方散乱を発生させない電子スピン状態との相関関係を明らかにした(ニュースリリース)。

物質の中を流れる電流は,不純物や粒界などの格子の欠陥によって,進行方向の逆向きに散乱される。その際に電流の担い手である電子の運動エネルギーの一部が熱エネルギーとなって失われるため,この現象が様々なデバイスのエネルギー効率を低下させる原因となっている。

今回研究グループは,電流の後方散乱を抑制するためのナノ材料設計指針を新たに提示した。スパコンを用いたシミュレーションでは,量子力学の基本原理と基礎的な物理定数に基づいた,経験的なパラメーターによる調整のない第一原理計算を行なった。

研究グループが今回理論解析したナノワイヤは,ナノスケールの発電・バッテリーなどに利用される可能性がある。ナノワイヤを構成するシリコン(Si)の表面上にはインジウム(In)原子を1次元的に配置できるが,そのIn原子鎖に,ビスマス(Bi)を加える事で電子状態を変調させ,電流の伝搬する方向の電子スピンを逆方向電流のスピンと正反対の向きにできる事を示した。

磁性元素を含まない格子欠陥による散乱では,スピンの向きは保存される。したがって,電子の後方散乱が抑制され,電流の伝搬に伴うエネルギー損失が軽減される。

このような電子状態の変調は,相対論効果の一種であるRashba(ラシュバ)効果によってもたらされる。今回の研究では,左図の破線円で示す逆向きのスピンを持つ2つの由来の異なるRashba状態が同じ対称性に属し,右図の両者の交差が起こらず電子状態にエネルギーギャップを作る事を,群論と第一原理計算(シミュレーション)により明らかにした。

これにより,右図の正の運動量kに対しては下向きのスピンによるRashba状態のみがギャップ中に存在する事になり,このRashba状態は上向きのスピン状態に変化できないため,電気伝導を担う電子(エネルギーε≈εF)の後方散乱は完全に禁止されるという。

研究グループは,今回の研究で提示された,新たなナノ材料設計指針に基づき,電流の後方散乱が完全に抑制された新材料(電気伝導体)の開発に向けた研究の加速が期待されるとしている。

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