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東北大学(東北大)は、半導体トランジスタ構造を利用して電子スピンの向きを揃えたまま
永久的に回転できる状態(スピン永久旋回状態)を作り出すことに成功したと発表した。これ
により、次世代省電力・高速半導体デバイスの実現が期待できるという。
同成果は、同大 大学院工学研究科 好田誠准教授、同研究科 国橋要司博士後期課程
学生、同研究科 新田淳作教授、レーゲンスブルク大学(ドイツ)らの研究グループによるもの。
詳細は、米国科学誌「Physical Review B」の速報版に8月27日付けで掲載された。
半導体デバイスには、電子の持つ「電荷」が活用されている。電子は電荷と共に「スピン」
と呼ばれる磁石の性質も持つが、従来、双方を同時に利用することはなかった。
スピンには上向きスピンと下向スピンが存在し、微小磁石の上向きと下向きに対応させる
ことができるため、半導体において電荷とともにスピンを利用することができれば、電荷の持
つ演算機能とスピンの持つ記録機能を1つの素子で兼ね備える、次世代の半導体デバイスを
実現できることとなる。これを実現するためには、電子スピンの向きを精密に制御し、かつス
ピンの向きを長い間保持する必要がある。
半導体において電気的にスピン制御を行うには、スピン軌道相互作用を利用する。スピン
軌道相互作用は、外部から磁場を印加しなくても電子スピンに対し有効的な磁場として働くた
め、スピンの向きを自在に制御することが可能であり、電気的スピン制御に必要不可欠だが、
同時にスピンの向きをばらばらにするスピン緩和の原因でもあるため、これまで電気的スピン
制御を実現しながら、スピン緩和を抑制することは困難であると考えられてきた。
こうした考えに対し2003年、ドイツの理論グループがスピン軌道相互作用が存在しても、スピ
ン緩和が完全に抑制できるスピン永久旋回状態の存在を予言した(図1)。通常、電子は色々な
方向に動くため、隣り合うスピンの向きもそれに合わせてばらばらになり、スピン緩和が生じる。
一方、スピン永久旋回状態では、隣り合う電子が別々に動いても電子スピンは常に互いに
同じ向きを保持しており、スピン緩和が生じない。このスピン永久旋回状態を実現するには、
半導体に存在する2種類のスピン軌道相互作用(ラシュバスピン軌道相互作用とドレッセルハ
ウススピン軌道相互作用)を同時に制御して互いの強さを等しくする必要があった。これを受
けて2009年、カリフォルニア大学のグループが、異なる試料をいくつも用意した上で光学的な
観測手法を用いて、スピン永久旋回状態の観測を行っているが、実用的な次世代半導体デ
バイスを実現するため、現在の一般的なトランジスタ構造を利用して、スピン永久旋回状態を
実現することが求められていた。
図1：URLﾘﾝｸ(news.mynavi.jp)
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ソース：マイナビニュース
URLﾘﾝｸ(news.mynavi.jp)
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