Home定説を覆した現象を発見 -電子のスピンが直立する－
大学院理学研究科 物理科学専攻 （きむら あきお）准教授
に聞きました。 （2009.3.19 学長室広報グループ ）
研究の概要
木村准教授の専门は、固体物理学です。その中でも特にライフワークであると言うほど、研究の中心は「光电子分光」です。电子と光の性质を利用した光电子分光の実験では、いろいろな固体中の电子の状态を知ることができます。この光电子分光の実験には本学の放射光科学研究センターを利用しています。放射光科学研究センターでは、ナノスケール（１ナノメートル＝１/１０亿メートル）で物质创设?観察?评価を行えるさまざまな装置が稼働しています。この放射光を利用した光电子分光実験により、物质のサイズを原子単位まで小さくして电子の状态を调べ、原子単位の构成の解明に迫っています。
※木村准教授は、千葉大学大学院融合科学研究科の坂本一之准教授、金沢大学理工学研究域の小田竜樹准教授との共同研究で、スピントロニクスに技術革新を起こす半導体の電子スピンの現象を世界で初めて観測しました。この研究成果は、米科学誌「Physical Review Letters」（2009.3.6発行）に掲載されました。
光电子分光により物质中の电子の动きを解明したい
物质の形态は、固体、液体、気体のいずれかですが、この物质をどんどん小さくしていくと「原子」という単位になります。原子は、中心にある原子核とその周りを回っている电子で构成されています。
固体に光（あるエネルギーを持った光）を照射すると、その光のエネルギーをもらって固体中の电子が飞び出します。これが「光电効果」です。「この飞び出した电子（光电子）の个数をそのエネルギーの関数として测定することが光电子分光です。これによって物质中の电子の状态を知ることが可能となります。光电子分光は、身近なところでは、元素分析（例えば、鉄がどれだけ含まれているか）などに利用しています。未だ解明されていない超伝导の仕组み（なぜ超伝导になるのか）にも迫ることができる」と木村准教授は热く语ります。
光の種類の中に「真空紫外線」と「軟Ｘ線」があります。この２つの特殊な光は、大気に吸収されてしまうため、地球上では得られない光です。木村准教授の研究室では、この身近にはない特殊な光である放射光を利用して、光電子分光の実験を行っています。 放射光科学研究センター内の実験装置。
放射光科学研究センター内の実験装置。
スピン
原子核の周りを回っている电子は一つの轴を中心にコマが回るように自転しています。これを「电子スピン」といいます。自転には右回りと左回りがありますが、スピン（轴）の方向は上向き?下向き?横向き?斜めといろいろで、通常は外からかける「磁场」によりその方向をコントロールすることができます、と木村准教授は説明します。
固体の结晶の中には、无数の电子が存在しています。磁石では、すべてのスピンの方向が同一の方向を向くことにより强い磁気が発生しています。しかし、非磁性物质では、スピンの方向はばらばらで全体として磁気を発生しません。
対称性の破れ
固体では、规则正しく３次元的に原子が并んでいます。これを物理の用语では「并进対称性をもつ」といいます。
结晶の内部ではそうでも、半分に切断した时の切り口の表面では何が起こっているのでしょうか。半分に切断した表面では、结晶の片侧がなくなってしまったため、原子配列の规则性がなくなってしまいます。このように结晶では存在していた対称性がなくなることを「対称性が破れる」と呼びます。
「切り取った表面では、原子は２次元的な周期性しか持たないため电子の运动が２次元面内に制限されます。２次元的构造となる表面の电子では、スピンの向きはばらばらです。この状态に面直方向に电位勾配を与えるとスピン偏极电子が生じて、スピンは同じ方向を指します。しかも磁性体物质のみでなく非磁性体物质であってもスピン偏极が起こります。これが「ラシュバ効果」と呼ばれるものです」と木村准教授は説明し、「ここからが今回の発见の内容です」と木村准教授は続けます。
结晶构造模型。この规则正しい构造が縦?横?上?下に続く。
切断した结晶の模型。「対称性の破れ」を示す。
电子スピンが突然直立した
今回の実験では、半导体デバイスによく使われているシリコン表面にタリウムを吸着させた表面での电子のエネルギーバンド构造とその电子スピンを调べました。
表面での电子の状态を観测する方法として、光电効果を用いた光电子分光による测定実験を行いました。ある波长の光を照射し、放出される电子の个数をその运动エネルギーの関数として测定します。
「今までの実験観测では、左右方向の电子スピンの検出器のみで行うのが通常でしたが、今回の実験では上下方向の検出器も使用してみました。そうすると、今まで観测されたことない「スピンが垂直に起立する」状态が観测できたのです」と木村准教授は目を辉かせて话します。
「スピンが垂直起立する表面构造の条件は、切断表面が特殊な构造を持っていることです。表面の一つの原子を中心に１２０度づつ回転させても同じ配列构造を持ちます。これを「３回対称性」があるといいます。これが２次元结晶の対称性です。ところが、この方向に沿って镜を置くと、左右対称ではなくなります。実は、この镜の対称性を持たないという构造が、スピンが垂直起立する原因である、とこの実験でわかりました」と説明します。
切断面の表面を120度回転させて、3回対称性を説明する木村准教授。
たった一つの电子で情报伝达ができる
「今回の実験結果で観測できた垂直起立のスピンにより、情報伝達効率を飛 躍的に高めることができ、デバイスの高速化?多機能化?低エネルギー消費化を実現することができます。極端にいえば、直立する電子が一つあれば情報伝達で きることになります」と木村准教授は、次世代半導体デバイスへの期待を熱く語ります。
磁石は好きですか？
「物理学はおもしろいものです」と木村准教授。
「一 つの現象について、なぜそうなるのかを追求していくことが大切です。研究だけでなく身近な現象についても物理は関係しています。例えば、最近のＨＤＤに 「垂直磁気記録採用」と言ううたい文句の機器がありますが、「なぜ垂直なの？」と身近な物理科学に興味を持って欲しい」と木村准教授は話します。
ゼミ风景
研究者や学生と。センター内にて。
「広岛大学には、放射光科学研究センターがあります。このセンターがキャンパス内にあることで、学生にとっても利用しやすく実験室の感覚で放射光の実験ができます」とセンターを利用して放射光の実験ができる恵まれた环境であると话します。
世界各国の研究者が利用する「贬颈厂翱搁（広岛大学放射光科学研究センター）」で第一线の研究を肌で感じ、自分もその研究に関わっていたことを社会に出て生かして欲しいと、放射光に梦中の学生を激励します。
あとがき
「夜中に実験データが出たりするとエキサイティングです。谁も见ていない现象が见られるんですから。でも见逃すこともあります。だから见逃さないようにすることが非常に重要です。时として本当に辛いこともあります。でも、兴味があるからその辛さにも耐えられます」ときっぱり言い切られた言叶に深く感动しました。
取材终了后には、放射光科学研究センター内を案内していただきました。センターの中には大势の学生さんの姿がありました。梦中で実験机器に向かう「若い研究者」たちの姿が印象的でした。（奥）
