電子材料領域

プロジェクト名:JST ERATO「スピン量子整流」

スピン流とスピントロニクス ～新しい「回転」の科学～

メモリーやハードディスクへの応用が期待されるスピントロニクス

電子には、電荷をもつ性質のほかに、「スピン」という磁石の性質もあります。これらの2つの性質を両方とも利用した工学応用や新しい物理現象を研究する分野を「スピントロニクス」といい、すでにメモリー技術や省エネルギーコンピュータ技術への応用が進んでいます。
物質中の電子角運動量の流れを「スピン流」といいます（図1）。われわれは2008年に「逆スピンホール効果」というスピン流の基礎現象を発見し、スピン流を測定したり電気的に利用することができるようになりました。
また、スピン流を利用したまったく新しい量子原理による熱発電方法を発見しました。温度勾配のある系では、古くから知られる熱電変換現象であるゼーベック効果やペルチェ効果が現れます。このとき熱流からスピン流が生成されます。これが「スピンゼーベック効果」です。生成されたスピン流は逆スピンホール効果を通じて電圧に変換され、この現象はスピンの整流性を利用した新たな熱電変換原理として注目されています。スピンゼーベック効果に基づく熱電変換素子は、理論的には従来の熱電素子を上回る性能が期待できます。

スピン流の諸現象を解明し、新たな利用原理を提示する

これまでの研究から、固体中でスピン流が引き起こすさまざまな物性現象が明らかになってきました（図2）。また、スピン流の諸現象は、固体のスピン物性を調べる手法としても利用されるようになってきています。特に近年は、スピン流によるスピンダイナミクス測定技術が大幅に進展しました。そして、スピン流の活躍の舞台は電子物性のみならず、ナノ機械運動、マイクロ流体力学などさまざまな系に広がってきています。

図1　スピン流の概念図

図2　固体中のスピン流の基礎現象の発見