Home电子スピンの运动の新しい概念
－スピントロニクスデバイスの実用化に向けた新展开！－
広岛大学大学院先端物质科学研究科の小口多美夫教授、千叶大学の坂本一之准教授、东北大学の高桥隆教授を中心とした研究チームは、二次元空间を移动する电子スピンの运动に関する全く新しい概念を世界に先駆け発见しました。この研究结果は、これまで国内外において报告されていない新しい量子効果であるのみでなく、従来のものと比べ、1/1000程度までエネルギー消费を抑え、かつ高速化?多机能化を実现する次世代半导体デバイスとして注目を受けているスピントロニクスデバイスに対して新たな设计指针を示しています。また、この研究成果は、デバイスの环境面に配虑した低エネルギー消费化を実现しながら高速化?多机能化を可能にするための大きな一歩と言えます。
固体物质の构造を叁次元から二次元、一次元と低下させると新奇の物理现象が発现することがあります。1960年に提唱された、ラシュバ効果※1 と呼ばれる二次元非磁性体において电子スピンが偏极する※2 现象もその1つです。偏极した电子スピンはフラッシュメモリなどの磁気记録媒体や、次世代半导体スピントロニクスデバイス※3 の根源ですが、ラシュバ効果によって発现したものは后者と関连します。近年、ラシュバ効果はようやくいくつかの二次元固体表面で観测されるようになり、电子が自由に动き回れる“理想的”な二次元系※4 を用いた理论的予测の枠内で実験结果が説明されました。しかし“现実”の二次元电子系では原子が周期的に并んでいることから电子の动きが制御され、理想的な系と异なる运动をするはずです。そこで同研究グループはスピントロニクスデバイスの実现に不可欠である、现実の系でのラシュバ効果の理解のため、元素の特性から大きなラシュバ効果が期待でき、3回対称性(120°回転すると元の构造と同じになる)の周期的な构造を有する、ビスマスを吸着させたシリコン表面※5 を用いて研究しました。
研究グループは东北大学理学研究科、イタリアの放射光施设エレットラおよび広岛大学の放射光科学研究センターにおいて角度分解光电子分光※6 とスピン分解光电子分光※7 という2つの実験手法と、広岛大学先端物质科学研究科で开発された第一原理计算※8 による理论的手法を用いてビスマス吸着シリコン表面での电子バンド※9 と电子スピンを调べました。その结果、巨大なラシュバ効果を観测したのみでなく、これまでその発现に必要不可欠であると考えられていた“时间反転対称性” ※10 がなくともラシュバ効果が発现する ※11 ということと、电子スピンの运动を理解する上で不可欠である等エネルギー面※1 の形状が不思议な非涡构造 ※11 をとりうることがわかりました。ビスマス吸着シリコン表面の対称性を考虑してラシュバ効果を理论的に考察することにより、时间反転対称性がなくとも原子构造の対称性に起因してラシュバ効果が発现することが可能であることと、この特异なラシュバ効果により、これまで予想もされてなかった非涡构造を有する異常なラシュバ効果が発现することがわかりました。これらの结果は、ラシュバ効果の発现に必要不可欠であると考えられていた时间反転対称性が不要であり、ラシュバ効果による电子スピンの运动を理解するためには二次元构造の対称性の情报が欠かせないことを意味します。
1. 電子スピンの運動を原子構造の対称性により理解できる；この研究結果が(特殊なものではなく)普遍的な新しい量子効果であることを意味しています。
2. 電子スピンの運動はスピンの輸送効率を決定するものであり、その理解は今後のスピントロニクスデバイスの设计に大きな方针を示すことが期待されます。
3. ラシュバ効果の大きさは電子スピンの抽出効率と関連します。観測された巨大ラシュバ効果は高効率で半导体スピントロニクスデバイスへの电子スピンの注入が可能であることを意味し、これと合わせた电子スピンの运动の理解は、例えばエネルギー消费量が通常のトランジスタの1000分の1程度の低エネルギー消费?高移动度?高効率スピントランジスターの実现への大きな一歩です。
本研究は、科学研究費補助金、基盤研究(A) 20244045とグローバルCOEプログラム(G-03)の助成を受けて実施されました。
また、本研究成果は、平成21年10月5日(月)発行の米科学誌「Physical Review Letters」にオンラインで掲載されました。(米国時間)
千葉大学 大学院融合科学研究科 ナノサイエンス専攻
准教授 坂本一之(さかもと かずゆき)
TEL：043-207-3893 FAX：043-207-3896
〒263-8522 千葉市稲毛区弥生町1?33
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広島大学 大学院先端物質科学研究科 量子物質科学専攻
教授 小口多美夫(おぐち たみお)
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東北大学 原子分子材料科学高等研究機構
教授 高橋 隆(たかはし たかし)
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千葉大学 工学部総務グループ
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広島大学 広報グループ
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(＠は半角蔼に置き换えてください)
※1 ラシュバ効果
1960年にE. Rashbaによって提唱された効果。固体表面などでは面直方向の対称性が破れていることによって電位勾配が生じ、スピン偏極電子が生じ、電子バンド(※9)が分裂する(図1)。波数は表面平行方向であり、理想二次元系においてはスピン偏極ベクトルは二次元面内のみを向いている。等エネルギー面を見ると電子スピンは渦構造を示す。
※2 スピン偏極?電子スピン
电子がもつ量子力学的な自由度の1つである电子スピンがある特定の方向に偏ること。电子スピンは电子の自転に由来すると例えることができる。通常、非磁性体物质ではスピンは偏极していない。
※3 スピントロニクス
スピンとエレクトロニクスを合わせた造语。电子の有する电荷の自由度のみでなく、スピンの自由度も利用する分野(図2)。
※4 二次元電子系
固体では原子が叁次元に配列していることにより、电子も叁次元的な构造を有するが、物质表面や界面、超薄膜などでは原子が二次元的な周期性しか持たないため、电子も二次元构造を有する。理想二次元系は、完全に等方的な系を指し、现実的な二次元とは拟二次元的な原子配置により二次元面内に异方性を有する系を指す。
※5 ビスマス吸着シリコン表面
シリコン表面にビスマスを1原子層吸着させた時の原子構造を図3に示す。Top viewより3回対称性を有することがわかる。
※6 角度分解光電子分光
物质に光を当て、物质外に飞び出してくる光电子の放出角を変えながら运动エネルギーを测定することによって、电子バンドを求める手法。
※7 スピン分解光電子分光
物质に光を当て、物质外に飞び出してくる光电子の运动エネルギーとスピン状态を测定することによって、电子スピンに関する情报を求める手法。
※8 第一原理計算
计算対象となる系を构成する元素の原子番号と系の构造を入力パラメータとし、実験结果を参照しないで系の电子状态を求める最新の手法。
※9 電子バンド
固体中の电子のエネルギーと波数の関係で、电子输送など固体の物性を特徴づけるもの。
※10 時間反転対称性
磁场や磁化のない系は时间を反転させても物理现象が不変である性质。固体结晶中の电子の状态を记述する波数空间において、ある点から両方向に矢印を引いた时、それらが等価であれば时间反転対称性があり、等価でなければ対称性はない。図4中のΓと惭は时间反転対称性があるが、碍はない。
※11 対称性に起因した特異なラシュバ効果
Γ点周りでは理想的なラシュバ効果が、時間反転対称性のないK点まわりではひずんではいるが渦構造のラシュバ効果が、時間反転対称性があるM点もまわりでは非涡构造のラシュバ効果が見える。
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