原研ら,スピン流による起振に成功

日本原子力研究開発機構(原研),東北大学,東京大学,理化学研究所らの研究グループは,マイクロメートルスケールの磁性絶縁片持ち梁(カンチレバー)を 作製し,そこに磁気の流れであるスピン流を注入することでカンチレバーを振動させることに成功した(ニュースリリース)。

スピン流は電流と同じように情報を伝送するキャリアとして利用できると考えられている一方,その自転的な性質から,ミクロな回転と見なすこともできる。研究では,磁性絶縁体を加工して作製したマイクロメートルスケールの構造体に磁気的な波としてスピン流を注入することで,その構造体の機械運動を生み出せることを検証した。

まず,スピン流が流れやすいイットリウム鉄ガーネット(YIG:Y3Fe5O12)を用いて,集束イオンビーム加工装置によりカンチレバー構造を作製した。さらに,このカンチレバーにスピン流を注入するために,カンチレバーの根元付近に白金(Pt)細線からなるヒーターを熱源として形成した。

このヒーターに交流電流を流すことで熱流が発生し,スピンゼーベック効果によって生成されたスピン流がカンチレバーの先端に向かって伝搬していく。

一般に,物体には振動しやすい固有周波数というものがあり,この固有周波数と同じ周波数の外力を与えると共鳴が生じ,小さな外力でも大きな振動を作ることができる。

今回の実験では,熱流由来の力とスピン流由来の力が発生するため,両者を分離して,スピン流由来の振動だけを測定する必要がある。そこで,ヒーターの交流周波数と試料に加えた外部磁場の周波数を変化させ,スピン流由来の力のみがカンチレバーの共鳴周波数に一致するように設定した。このとき,熱流は磁場の周波数変化の影響を受けないため,熱流の効果を除外することができる。

このような実験系を用いてスピン流を注入し,カンチレバーの振動を測定した。スピン流を注入しない状態では,環境のノイズによるカンチレバーの微小な振動のみが観測された。ここにスピン流を注入すると,カンチレバーの振動に明瞭なシグナルが現れた。電流の有無や磁場の向きを変えた測定から,このシグナルが現れる条件がスピン流注入によって生じる力と整合していることが確認されたという。

研究グループは,今回作製した素子は加熱によってスピン流を注入するため,カンチレバー上に電気配線することなく振動を起こすことができるため,配線が困難なマイクロ機械デバイスの動力などに応用できるとしている。

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