原研ら,パワースピントロニクス素子の開発に道

日本原子力研究開発機構(原研)と東北大学は,電子回路の基本的な性質「インダクタンス」を電子スピンの特性を活用することにより広範囲に制御する新しい方法を見出した(ニュースリリース)。

導線を流れる電流の変化が誘導起電力となって現れる性質であるインダクタンスを得るための,ねじれた導線(コイル)からなる素子をインダクタといい,電流の急激な変化をバネのように安定化することから,パワーエレクトロニクス素子(電力制御用半導体素子)に幅広く利用されている。

古典電磁気学によると,誘導起電力の大きさは,コイルの巻き数の2乗とコイルの断面積に比例するため,強いインダクタンスを得るためには素子のサイズが自ずと大きくなるす。すなわち,小型で強いパワーエレクトロニクス素子の実現には原理的な制限が存在している。

ごく最近,量子技術に基づく新しいインダクタの実現方法である「創発インダクタ」が提案され,従来技術の原理的な制限を克服する試みがはじまった。しかし,この新しい実現方法には未だ謎が多く,観測された実験結果と基礎理論の間には未解明のギャップがあった。

研究では,スピントロニクスにおける重要因子の一つとして知られる「ラシュバ型のスピン軌道結合」の効果を基礎理論に取り込むことで,創発インダクタに与える影響を探った。

その結果,第一にラシュバスピン軌道結合がインダクタンスを飛躍的に増幅すること,第二に磁気の感じる摩擦の効果を通じてインダクタンスの符号を正負どちらにも設計できることを突き止めた。これらにより,未解明だった観測結果の理解を大きく進展させ,創発インダクタを最適化するための設計指針を与えることに成功した。

また,負のインダクタンスを持つ素子は,通常の正のインダクタンスを持つ素子とは逆の作用を持つ。従って,負のインダクタンスには回路に生じた不要な(正の)インダクタンス由来の電磁ノイズを打ち消す効果があり,高周波回路等への応用が長らく提唱されていたものの,従来の単一素子では実現不可能とされていた。この点でも,この研究による負のインダクタンス発現の新原理発見が果たす意義は大きいという。

この研究は,スピンを介したエネルギー変換技術の利用により,従来技術では実現が困難であった集積回路等の極微領域での電源回路や負のインダクタといった機能を実現させる「パワースピントロニクス」の開発を切り拓くもの。今後さらに研究を進めることにより,情報集約型の未来社会(Society5.0)を支える基盤量子技術の一環として,幅広く利活用されるようになることが期待されるとしている。

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