東北大，表面プラズモンによりスピン流を生成すことに成功

JST戦略的創造研究推進事業において，東北大学は特定の金属微粒子を含む磁石に可視光を照射することで，スピン（磁気）の流れを生成できる新しい原理を実証した（ニュースリリース）。

近年，電荷に加えてスピンの性質も積極的に利用する「スピントロニクス」が次世代電子技術の有力候補として注目を集めている。これまでのスピン流に関する研究の大部分は，情報伝送，演算やメモリ応用を意図したものだったが，最近の研究の成果によってスピン流をエネルギー変換や発電技術に利用するという新しい概念が生まれている。

スピン流を用いたエネルギー変換の性能は，既存の技術や素子の水準に達していないのが現状だが，特に磁性体に温度差をつけることによりスピン流が生じる，スピンゼーベック効果を用いた新原理の熱電変換技術がにわかに注目を集めている。これまで，半導体における光―スピン変換は実証されていたが，絶縁体への光照射によるスピン流生成原理は実証されていなかった。

今回，特定の波長の可視光によって誘起された表面プラズモンを用い，絶縁体磁石に埋め込んだ金微粒子近傍に強力な電磁場を発生させ，この電磁場によりスピンの運動を効果的に駆動させることで，絶縁体磁石における光―スピン流変換を初めて実現した。

実験では，絶縁体である磁性ガーネット（BiY₂Fe₅O₁₂）薄膜の表面に白金（Pt）薄膜を接合した素子を用いた。この素子はスピンゼーベック効果の研究においても用いられているが，今回の研究で用いた素子は，磁性ガーネット層に㎚サイズの金（Au）微粒子を埋め込んだ構造となっている。この素子に分光した可視領域の単色光を照射しながら，白金層に発生する電気信号の精密測定を行なった。

この素子に光を照射すると，入射光の波長が表面プラズモン共鳴条件を満たした際に金微粒子中の自由電子が集団運動し，それに伴って微粒子近傍に局在した強力な電磁場が発生するため金微粒子は光アンテナとして機能する。増強された電磁場によって磁性ガーネット中のスピンの運動が励起された結果として，白金薄膜中にスピン流が誘起される。白金に注入されたスピン流は「逆スピンホール効果」によって起電力に変換される。

今回の実験では，この逆スピンホール効果によって生成された起電力を測定し，検出された信号が磁性ガーネットから生成されたスピン流に由来することを明らかにした。さまざまな対照実験やシミュレーションを行なうことで，光照射による発熱の効果を分離し，観測された信号は光が表面プラズモンを介してスピン流を励起する新しいプロセスによって生じていることを確認した。

これまでの手法では，熱，音波や電磁波を用いてスピン流を生成していた。光とスピンの相互作用については，これまで半導体を用いて研究されてきたが，今回の実証した効果は全く異なる物理原理に基づくものであり，初めて絶縁体磁石における光－スピン流変換が可能になった。

この成果は，これまで独立して研究されてきたスピントロニクス分野とプラズモニクス分野を融合した新しい研究分野の形成につながるもの。表面プラズモンとスピン流の相互作用に関する物理はこれまで全く研究されておらず，今後の研究によってさらなる新原理の解明や新機能の発現が期待されるという。

今回実証した光－スピン流変換原理を実際のデバイスにおいて利用するためには大幅な効率向上が必要だが，応用面における本成果の重要な点は，光，熱，音波，電磁波といったさまざまなエネルギー源を同様の素子構造においてスピン流や電流に変換可能であることを示したこと。スピン流を用いれば単一デバイスにおいてさまざまなエネルギー源を同時利用できるため，次世代の分散型発電・省エネルギー技術やスピンデバイスの駆動源としての応用につながる可能性があるとしている。