早大ら,水素や炭素でスピン流生成

早稲田大学,北海道大学,明治大学,東北大学,東京大学,理化学研究所の研究グループは,これまでプラチナ(Pt)などの希少な重金属を用いて生成されてきたスピン流を,水素や炭素,酸素などのありふれた元素からなる有機化合物を用いて高い効率で生み出す新しい機構を理論的に発見した(ニュースリリース)。

現代社会を支える電子機器のほとんどは,電荷の流れである電流を用いて動作している。これをスピンの流れ(スピン流)に置き換えることができれば,ジュール発熱によるエネルギー損失のない究極の省エネルギー機器が実現できる。

スピン流を効率よく作り出す方法の1つに,スピンホール効果がある。これはスピン軌道結合と呼ばれる性質に由来する。しかし,スピン軌道結合は重い原子ほど強いため,大きなスピンホール効果を得るにはPtなどの希少な重金属が必要となる。

研究グループは,κ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Clという有機化合物の分子の配向パターンに注目し,この物質におけるスピン流を理論的に計算した。この物質では板状のBEDT-TTFという分子が2つずつ向きを揃えたペアを組んで結晶化するが,このとき,ペアの方向には2種類あることが重要となる。

その結果,2種類のペアに電子スピンがそれぞれ逆向きに整列した反強磁性と呼ばれる磁気的な状態において,電場あるいは温度勾配を加えることで,電子がそのスピンの方向に応じて異なる方向へと流れることを見出した。これは,加えた電場や温度勾配と垂直な方向にスピン流が発生することを意味する。

このスピン流の生成機構は,これまでのスピンホール効果によるものとは本質的に異なるもの。ここでは,スピン軌道結合の代わりに,配向した分子ペア上の反強磁性が,電子の流れをそのスピンの向きに応じて振り分ける役割を果たしている。

これにより,これまでのスピン流生成に必須とされてきたスピン軌道結合を必要としないため,軽い元素のみでできた有機化合物でも効率的にスピン流を生成することが可能となっている。実際,理論計算から,この機構によるスピン流への変換効率は,Ptを用いたスピンホール効果によるものに匹敵することが明らかになったという。

研究グループは今後,今回の研究で構築した理論をさらに多様な物質へと応用することで,高効率なスピン流生成を可能とする物質を理論的に見出し,理論の実証を目指すとしている。

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