京大ら，グラフェンにスピンを電圧に変換する機能を発見

九州大学，大阪大学，早稲田大学は共同で，電子のもつ電荷とスピンを同時に制御することで，次世代材料として大きく注目を集めるグラフェンにおいて，新しいスピン機能を発見した（ニュースリリース）。

グラフェンを用いたスピントロニクスは大きな関心を集めており，世界中の研究者が研究を進めている。これまでの研究の中心はグラフェンにスピンを長距離伝導させることにあったが，スピンの輸送だけでなく，スピンを別の物理量，例えば電圧や光などに変換するような新しいスピン機能の開拓にも興味が広がっている。

スピン角運動量を別の物理量に変換する「スピン変換」はその重要な研究対象だが，グラフェンでこのスピン変換を実現することに大きな注目が集まっていた。

原子層1層からなる単層グラフェンを磁性体であるイットリウム＝鉄＝ガーネット（YIG）基板上に転写し，YIGに強磁性共鳴と呼ばれる現象を誘起すると，グラフェンにスピン角運動量が注入される。これをスピンポンピング現象と呼ぶ。

注入されたスピン角運動量は，グラフェンの有するスピン軌道相互作用により散乱を受けるが，スピン角運動量の向きによって散乱される方向が決まっているため，その方向に電流が流れるという現象が生じる。このとき，その電流を電圧として観測することができる。

ここで注目すべきは，グラフェンの上にイオン液体を塗布し，そこで強い電界をかけることでスピン角運動量の受け手を電子または正孔に自由に制御できる点。電子と正孔は互いに逆の電荷をもつため，同じ方向に移動した場合，電圧が逆に出るという特性がある。

実験結果は明らかに電子がスピン角運動量の受けてである場合と正孔が受けてである場合で信号の極性が反転していることから，両極性（ambipolar）のスピン角運動量変換に成功していることがわかった。さらに外部磁場方向を反転させた場合に電圧の符号も反転することから，現象が逆スピンホール効果と呼ばれる効果に起因することもわかった。

今回の成果はグラフェンが単純にスピン角運動量を運ぶだけでなく，スピン角運動量を電気に変換できるという点にある。スピン角運動量の観測は直接的な方法がないために，このような電気への変換が可能になると，スピン角運動量の輸送と電気的観測を同じ1つの材料でできるという利点がある。

研究グループは，グラフェンを用いたスピン素子にこのような多機能を搭載できるという点で非常に意義深い結果だとしている。