京大ら,従来の理解を超越するスピン物性を発見

京都大学,TDK,大阪大学は,シリコンにおいて従来の物性理解を超越する新奇なスピン物性を発見した(ニュースリリース)。

スピンは磁性の起源であるためにスピン情報担体を操作しスピンを用いた演算を実現するためには一般に外部磁場が必要だが,素子構造が大掛かりになるという問題がある。

一方近年,スピン軌道相互作用という物質中の相対性理論効果を活用して,人工的に磁場を物質中に創発させることが可能となっており,この効果を用いたコンパクトな情報素子の創出が期待されている。

シリコンでもこのような機能が発現できることが待望されてきたが,シリコンは本質的にこのスピン軌道相互作用が小さいため,この機能発現は不可能だというのが従来の理解だった。

研究グループは,シリコンスピンMOSFETの構造に着目した。スピン軌道相互作用を発現させる別のアプローチとして,2つの物質の接合部分(界面)に発生する内部電場 (ラシュバ場)及び外部からかける電場とスピンを運ぶ電子の速度を利用する,という手法がある。

特殊相対性理論により,物質が非常に早く運動する場合,物質の運動方向と電場方向の双方に垂直な方向に 「有効磁場」と呼ばれる磁場が (外部磁場を一切かけていないにも関わらず自発的に)創発される。今回,この有効磁場を利用して,シリコン中を運動するスピンを外部磁場を用いずに操作することを目指した。

実験的にはシリコンスピンMOSFETにおいてスピンを運ぶ層である,厚さ100nmのシリコン層とその直下にある酸化シリコン層の界面に存在すると期待される内部電場であるラシュバ場を利用した。

更にこの酸化シリコンを介して最大100Vの強い電場を印加した。この2種類の電場の組み合わせによって,シリコンに人工的に磁場を創発し,シリコンを流れるスピンの操作に成功した。また外部電場をチューニングすることでラシュバ場を完全に消すことにも成功し,シリコンを流れるスピン情報を自在に操作できることも実証した。

この成功は,従来のシリコンに関するスピン物性理解,すなわち,シリコンはスピン軌道相互作用を本質的に持たないので,内部を流れるスピン情報の操作には外部磁場を用いるしかない,という「常識」を超越したことを意味するという。

今回の成功によって,リコンスピンMOSFETを中心とするシリコンスピン情報素子群の開発が更に加速されることが期待される一方,今回の一連の実験ではスピン情報操作の程度は最大30%と,応用展開に十分な効率ではない。研究グループは,より効率よく強い電場をかける手法の開拓と素子構造の最適化を目指すとしている。

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