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【上級】グラフェンを用いたスピン流デバイス

2016/07/16

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今年の5月、グラフェンを用いてスピン流を電気的に検出できるという研究が、京都大学、九州大学、大阪大学、早稲田大学のグループによって報告されました。

こちら

グラフェンスピン流を組み合わせることで超高速かつ超省エネのデバイスへの応用が期待できます。

今回はグラフェンとは?スピン流とは?といったところからお話を。

 

グラフェンって?

グラフェンとは、炭素原子がハチの巣格子状に並んだ、完全に二次元の物質です。

2004年にマンチェスター大学のアンドレイ・ガイムとコンスタンチン・ノボセロフらによっては初めて発見され、基礎物理学、デバイスへの応用への期待から現在でも爆発的な研究がなされている物質です。

実はグラフェンは鉛筆の芯の素材であるグラファイトから粘着テープを使ってうまく一層だけ剥がすことで作ることができる、意外と身近な物質なのです。

https://en.wikipedia.org/wiki/Graphene

https://en.wikipedia.org/wiki/Graphene

グラフェンの凄さは機械的な強度、伸縮性、熱伝導度、光吸収率の高さなど様々ありますが、最も特筆すべきはグラフェンの中では電子が非常に動きやすいことです。

電子の動きやすさ(易動度)は現代のエレクトロニクスの根幹をなすシリコンに比べても100倍以上であることが知られており、省エネルギーで高速なデバイスへの応用が期待されています。

 

スピントロニクス = スピン + エレクトロニクス

次に電子のスピンについてです。

スピンとは電子の自転運動に対応するもので、電荷をもった電子が自転することで、電磁石のように磁力を持ちます

実は現在使われている磁石の起源はすべてこの電子のスピンが多数集まったものなのです。物質の中の電子のスピンの方向が揃うと大きな磁力を持つ磁石になるというわけです。

すなわち、電子は電荷をもつだけでなく、それ自身が非常に小さな磁石でもあるのです。

spin

電子のスピンは磁石と同じ。便宜上時計回りのことを上向きスピン、反時計回りのことを下向きスピンとも呼ぶ。

現代のエレクトロニクス=electron(電子)+ics では、電子の持つ電荷のみを活用して、電流の大きさで0,1の信号を生み出し、情報処理をしています。

ですが、電流が流れるところにはジュール熱が必ず発生し、エネルギーが熱として無駄に消費されているのです。

この問題を解決しうると言われているのが、スピントロニクスと呼ばれる研究分野です。

スピントロニクスという言葉はスピンとエレクトロニクスから作られた造語で、電子の電荷だけでなく、スピンを用いたデバイスを作るぞ!という試みです。

スピントロニクスデバイスにおいて大きな役割を果たすのがスピン流、すなわちスピンの流れです。エレクトロニクスにおいて電流(電荷の流れ)が主役だったのと同じですね。

特に、電流を伴わずにスピンだけが流れる、純スピン流を作り出すことができれば、ジュール熱の発生しない究極の省エネデバイスが完成すると期待されます。

spincurrent

さて、本題

今回の研究で成し遂げられたことは、注目の新素材グラフェン中に、スピン流を注入し、さらにはスピン流が注入されたことを電気信号として検出できた、ということです。

 

スピン流の注入には、磁石を張り付けてマイクロ波を当てる、「スピンポンピング」という手法が採られました。

簡単にいうと、磁石からグラフェンへまさにポンプのようにスピン流を供給していく方法です。

 

スピン流の検出には、「逆スピンホール効果」と呼ばれる現象が用いられました。これはスピン流が物質中で電流へと変換される効果です。

これは図のように、スピンの向きに応じて逆方向に電子を曲げる作用に由来しています。

この効果によってスピン流に由来する信号を電流や電圧といった電気信号として検出することが可能になります。

ISHE1

 

ISHE2

 

夢の省エネデバイスへ?

電子が非常に高速で動くことができるグラフェンという舞台にエネルギー損失の無いスピン流を注入し、検出できたという成果は、スピントロニクスデバイスへの応用にとって非常に意義のあるものです。

グラフェンもスピントロニクスも比較的新しく、爆発的に進歩しつつある研究対象ですので、ひょっとして近い将来、超高速超省エネのデバイスが完成するかもしれません。

 

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