東北大，永久／逆永久スピンらせん状態間を制御

東北大学の研究グループは，半導体量子井戸の精密な構造設計により，スピン演算素子に必要な永久スピンらせん状態と逆永久スピンらせん状態間の電界制御に成功した（ニュースリリース）。

省電力・高速演算可能なデバイスが実現できると予想されるスピン演算素子の実現には，スピンの向きを長距離・長時間保持し，かつその向きを正確に制御する技術の確立が必要となる。

電子スピンはこれまで主に磁界により制御されてきた。スピン軌道相互作用は電界を磁界に変換する相対論的な効果。このスピン軌道相互作用が作る有効な磁界によってスピンの向きを自在に電界制御することができれば，磁界制御に比べて省電力・高速化が可能となる。

一方，スピン軌道相互作用の作る有効な磁界は電子スピンの運動方向に依存するため，電子が散乱されると有効磁界の向きも変化し電子スピンの向きがバラバラとなりスピン緩和が生じる。このスピン緩和を抑制し長距離・長時間スピンの向きを保持することとスピンの電界操作を両立することが難しく，スピンを用いたデバイスの実現に大きな問題となっていた。

この問題を解決するため「永久スピンらせん状態」をつくることが理論的に提案され，これまで東北大学をはじめとして世界で幾つかの研究チームがその実現に成功していた。しかしながら「永久スピンらせん状態」のみではスピンが定常状態となるためスピン電界操作機能を持たせることは困難だった。

今回，研究チームは，スピン電界制御に最適化した半導体量子井戸構造からゲート付きホール素子構造を作製し，量子干渉効果を用いてスピン緩和がゲート電圧によって変調する様子を磁気伝導特性より精密に測定した。

その結果，スピン緩和時間が発散的な挙動を示す異なる2つのゲート電圧があることを観測した。理論解析によりこの2つのゲート電圧では「永久スピンらせん状態」と「逆永久スピンらせん状態」が実現されていることが確認できた。

この結果は，スピン緩和の抑制された「永久スピンらせん状態」と「逆永久スピンらせん状態」間を電界操作した世界で初めてとなるもの。このスピン緩和の抑制された2つのスピン状態を電界制御することにより相補型電界効果スピントランジスタや，電界操作によるスピン演算素子を実現することが可能となるとしている。