東北大,原子核のスピン流を検出

東北大学の研究グループは,原子核の自転運動であるスピンの共鳴運動から生じたスピン流の検出に成功した(ニュースリリース)。

スピントロニクスは,電子が持つ電荷だけでなく,電子が持つスピンをも利用して,情報の処理・伝達・保存を行なう技術。スピントロニクスにおいて,電子スピンの伝搬を担うスピン流は最も重要な物理量となる。これまで,金属中の伝導電子や磁性体中のスピン波をはじめ,さまざまなタイプのスピン流が発見されてきた。

物質中には,電子以外にも原子核がこのスピンを持つ。原子核のスピンは医療現場での大型検査機器などに使われる磁気共鳴イメージング法(MRI)に利用されているが,核のスピンを調べるには非常に大きな磁場が必要であり,電子機器など身近なものではこれまで全く利用されてこなかった。一方で,核スピンは,電子スピンよりも長い時間スピンの情報を維持できるといった特長があり,核スピンのスピントロニクス利用が研究されてきた。

研究では,炭酸マンガン(Ⅱ)(MnCO3)に着目。この物質は磁化が反強磁性磁気秩序からわずかに傾いた弱強磁性体であり,非常に強い核スピンと電子スピンの相互作用があることが知られている。この相互作用によって核スピンと電子スピンとが連動し,核スピン波という集団運動を作る。今回,この核スピンが,核スピン波を通じて作るスピン流を検出することに成功したという。

実験では,MnCO3に白金(Pt)を成膜したサンプルを使った。MnCO3にラジオ波を照射し,核磁気共鳴を起こす。この核磁気共鳴によってMnの原子核スピンが運動を始める。この核スピンの運動が核スピン波を作って電子スピンと結合することで,スピンポンピングと呼ばれる現象を通じて,Pt層にスピン流を作る。こうして作られたスピン流を,Pt層の逆スピンホール効果によって電圧として検出することに成功した。

この研究は従来,核磁気共鳴法でしかその性質を知ることができなかった核スピンに,スピン流を使って電気的に調べられることを示した画期的な成果。電子スピン同様に,核スピンを使ってもスピン流を作れることが示され,核スピンをスピントロニクスという固体素子研究の枠組みに取り入れる可能性が拓かれたとしている。

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