金沢大ら,色素を塗るだけでスピン変換を実現

金沢大学,東京大学,理化学研究所,大阪大学の研究グループは,色素分子のフタロシアニンを金属銅の表面に塗るだけで,スピン流を電流に変換する機能が発現することを実証した(ニュースリリース)。

スピンの性質を積極的に利用するスピントロニクス研究が世界的に活発に進んでいる。特に,スピン流の生成・検出は,スピントロニクス応用において最も重要な要素技術の1つ。近年,固体無機材料の界面においてスピン流と電流が非常に効率的に相互変換されることが示され,注目を集めている。

研究グループは,無機材料と比べて大きな設計自由度を有しながらスピントロニクスの分野では未開拓な有機材料の分子に着目した。今回の研究では,道路標識の青色顔料としても利用されている色素分子のフタロシアニン分子を銅表面に蒸着した界面に,スピンポンピング法によってスピン流を注入したところ,電圧信号が観察され,高効率な変換を実証した。

さらに,変換効率の最大化に必要な条件を明らかにするため,分子層の厚み(膜厚)を系統的に変化させた試料を作製し,スピン流-電流変換由来の電圧信号の変化を計測したところ,銅表面の膜厚がフタロシアニン分子1層の時に最大化することを見いだし,白金やビスマスといった重金属を用いたスピンホール素子と同等の性能を有することを示した。

また,フタロシアニンと金属銅の接合面がスピン流・電流変換を起こす電子状態であることが,スーパーコンピュータ京を用いた大規模な第一原理計算による電子スピン状態の解析によって明らかになった。

研究グループは,今回の研究成果により分子の持つ高い設計自由度を使った新規電子デバイスの実現が今後期待できるとしている。

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