東大ら,大気中で動作するスピントロニクス材料を開発

東京大学は九州大学と共同で,グラフェンでカバーしたスズ(Sn)単原子膜がスピン偏極した電子の伝導を担うことを発見した(ニュースリリース)。

近年,スピントロニクス技術への応用を期待して,固体表面のスピン偏極した電子状態について盛んに研究が行なわれている。スピン偏極した電子状態は大気中では酸素などとの反応によって簡単に壊れ,その機能が失われてしまう。

そのため,これまで報告されている表面材料は,機能を損なうような反応がおこらない真空中で取り扱うことを前提としていたが,スピントロニクス材料として実用化するためには,性能を保持したまま大気中に取り出し,安定に動作することが必要であり,最大の課題となっていた。

今回,研究グループは,グラフェンでカバーされたSiC基板上のSn単原子膜の電子状態をスピン・角度分解光電子分光を用いて詳細に調べた。実験は,東大が開発した世界最高性能の3次元スピン・角度分解光電子分光装置を用いて行なわれた。試料に真空紫外光を照射し,光電効果によりSn単原子膜から放出された電子のエネルギー・運動量・スピンの向きを精密に測定した。

その結果,エネルギーが異なる2つのSn由来の電子状態が観測された。スピンの向きを3次元的に測定すると,これらのうち1つでは,スピンがSn単原子膜の面内方向に寝ており,もう1つのバンドは,スピンがSn単原子膜の面垂直方向に起立していることがわかった。

これまでは,結晶の空間対称性と電子スピンの向きは一対一で対応していると考えられていたが,同じ結晶対称性であっても異なるスピンの向きをもつ電子状態が共存することを世界で初めて見出したという。詳細な理論計算から,結晶中に電子がどのように分布しているかがスピンの向きを決める上で重要であることを解明した。

また,この試料を真空中から大気中に取り出し,その後再び同様の測定をしても,全く同じ結果が得られることがわかった。これはこの物質を大気に晒してもSn単原子膜のスピン偏極電子状態は大気の影響を受けていないことを意味し,最表面のグラフェンがSn単原子膜のスピン偏極電子状態を保護する働きをすることがわかったという。

研究グループは,今回の成果は,グラフェンを保護膜として利用することで,これまで真空中でしか取り扱えなかったスピン偏極電子材料を大気中でも機能が保持されることを示し,実用的なスピントロニクス材料の開発を大きく前進させる成果としている。

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