東北大,メタマテリアルでスピン流の制御に成功

東北大学の研究グループは,ナノ空間の対称性を人工操作した磁性メタマテリアルを新たに開発し,室温かつ超高速で,スピン流の伝搬方向や大きさを光パルスの偏光状態により完全制御する新原理を開拓した(ニュースリリース)。

スピントロニクスでは,スピン流によって超低損失な不揮発性磁気メモリーや量子情報伝送などが実現可能になると期待されており,スピン流の革新的な生成・制御技術の開拓が求められている。

今回,研究グループは,ナノテクノロジーを用いた微小な空間制御,とりわけナノ空間における「物質の対称性の人工操作」により,スピン流を完全光制御する新原理の開拓を目指した。また,光による非接触かつ超高速のスピン流の自在制御を行なうために,光ガルバノ効果に着目した。

光ガルバノ効果は,物質に外部電場などのバイアスを印加することなしに,光照射のみにより方向性を持つ直流電流が流れる現象。この電流にスピンの自由度を付与することができれば,光によるスピン流(以後,スピン偏極電流も含む)の生成と制御が期待される。

考察から,3回回転対称性と垂直磁化を同時に持つ特殊な物質がスピン流の完全光制御に適していることが分かった。研究グループは,室温で磁石の性質(強磁性)を示す,コバルト(Co)と白金(Pt)から成るCo/Pt多層膜に,一辺の長さが数百nmの正三角形状の微小な穴を周期的に空けることで,3回回転対称性と垂直磁化を同時に持つ「対称性を人工操作」した磁性メタマテリアルを実現した。

作製した磁性メタマテリアルに光パルスを照射したところ下記の機能が分かった。
①バイアス印加なしで超高速のスピン流が流れる「超高速応答機能」
②スピン流の伝搬方向およびスピンの向きを,磁性メタマテリアルの垂直磁化の向きにより反転できる「磁気スイッチ機能」
③光パルスの偏光方向を変えると,スピン流を意図する方向に伝搬させることができる「伝搬方向制御機能」
④光パルスの楕円率角を変えると,スピン流の大きさを制御できる「強度制御機能」

これらの振る舞いは,人工的に操作された対称性から予想される振る舞いと完全に一致し,これにより,スピン流を完全光制御する光スピントロニクス機能の基礎原理を開拓した。スピン流の生成・制御手法として,室温かつ超高速で,伝搬方向や大きさを完全制御できるのはこの手法のみであり,次世代のスピントロニクスデバイス設計の自由度を飛躍的に向上させるものだとうる。

さらに,今回新たに開発した磁性メタマテリアルは,超高速光スピントロニクスへの応用が期待される他,新しい光-電気-磁気融合変換技術の開拓などの新機能創出が期待されるとしている。

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