慶大ら,酸化銅で直流スピン流を生成

慶應義塾大学,中国科学院大学,理化学研究所は,表面を酸化した銅において電流が磁気の流れ「スピン流」を生み出す現象が,電流の渦を起源とする証拠を発見した(ニュースリリース)。

スピン流を流す際に発生する熱量は,電流よりもはるかに小さいことが知られ,不揮発性メモリーなど省電力デバイスの開発が精力的に進められている。これまでのスピン流生成には,プラチナのような貴金属や磁石が用いられており,銅のようなありふれた安価な金属は不向きとされてきた。

今回,研究グループは,表面を酸化した銅薄膜の深さ方向に形成される電気伝導率の傾斜構造が電子の巨視的な回転運動(電流渦)を生み,それが直流スピン流に変換されることを実験検証した。

電気伝導率の勾配を有する領域では,電気伝導率が一様である通常の材料中とは異なり,電子の移動速度に分布が生じる。このとき,この領域中の微小領域に着目すると,電子の移動速度の違いによって,電子の速度場(ベクトル場)が回転していると考えることができる。

この電流渦の大きさは,渦度として捉えられ,この領域中の複数の電子の流れの中に「角運動量」が存在することとなる。この渦度に比例した角運動量が一方向のスピンに変換され,アップスピン及びダウンスピンの平衡状態を乱し,アップスピン及びダウンスピンの相対的な分布に偏りを生じさせる。その結果,分布の偏りを解消する方向にスピン流が生じる。

今回の研究では,表面酸化させた銅に存在する電流渦がスピン流を生成することを証明するため,電流とスピン流の変換における相反性を詳しく調べた。電流からスピン流への変換を一方向性スピンホール磁気抵抗効果により,スピン流から電流への変換をスピンポンピング効果とスピンホール効果により評価した。

その結果,プラチナでは相反性の高い電流⇔スピン流変換が実現するのに対し,表面酸化銅では,電流⇒スピン流の変換効率に対してスピン流⇒電流の変換効率が320分の1以下と極めて小さい非相反性を示すことがわかった。

この非相反性は,従来のスピン流生成理論では説明できないという。研究グループは,格子の巨視的な回転運動が交流スピン流を生成する現象と類似の物理的起源により,電子の巨視的な回転運動が非相反的に直流スピン流を生成する可能性を指摘し,実際に測定された直流スピン流の大きさも同理論によって説明できることを確かめた。

研究グループは,この研究成果は,電気伝導率に傾斜構造があればどのような物質でも直流スピン流を生成できることを示したもので,磁石や貴金属を必要としない画期的な磁気デバイスの実現に大きく道を拓くものとしている。

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