白石誠司 工学研究科電子工学専攻教授、Sergey Dushenko 日本学術振興会外国人特別研究員、九州大学先導物質化学研究所、大阪大学、早稲田大学と共同で、電子のもつ電荷とスピンを同時に制御することで、高度なエレクトロニクス分野を構築していく研究領域のスピントロニクスと呼ばれる分野で、次世代材料として大きく注目を集め、2007年にノーベル物理学賞がその発見に与えられた材料であるグラフェンにおける新しいスピン機能を発見しました。
本研究成果は米国物理学会科学誌Physical Review Letters誌の電子版に4月22日に公開されました。
研究者からのコメント
左から白石教授、Dushenko研究員
グラフェンは2007年から研究している思い入れのある材料です。そのグラフェンにこれまでのスピンを運ぶ（輸送）研究だけでなく、スピンを何か別の物理量に変化させる（変換）機能もあることが理解でき予想外の嬉しさがある研究でした。Dushenko君とこのような新しい機能を発見でき大変幸せに感じています。これからも、科学の基本である「思いもかけない驚きやワクワクを発見する」 ことを念頭において研究していきます。
概要
他のトランジスタに比べると消費電力をかなり抑えられるCMOS(相補型金属酸化膜半導体)トランジスタの微細化によって低消費電力化と高速動作を可能としてきたシリコンベースの集積回路は、微細加工による性能向上の限界に直面しつつあります。また、CMOSトランジスタを用いた集積回路は一般に情報を保持するために電圧をかけ続けなければいけないために、省エネルギーの観点からも大きな課題を抱えています。
このような課題を解決した革新的情報デバイスを実現するためには、主に次のような材料面と技術面という2つのアプローチが存在します。
- 材料面：シリコンが本質的に実現できる移動度の限界に近づきつつあるため、シリコンに変わる材料として、シリコンを凌駕する移動度が実験的にも実現されているグラフェンが、ポストシリコン材料の中でも最も有力な材料と期待されている。
- 技術面：スピントロニクスと呼ばれる電子の有する電荷自由度とスピン自由度を同時に制御する技術が有力な技術の一つと考えられており、半導体材料を対象とした半導体スピントロニクスという分野が世界中で活発な研究が進められている。
これらの理由からグラフェンを用いたスピントロニクスは大きな関心を集めており、世界中の研究者が研究を進めている状況にあります。
本研究グループはグラフェンにスピンを注入することでスピン角運動量を電気的に電圧に変換することに成功し、この材料の新しいスピン機能を発見しました。本発見はグラフェンという魅力的材料の新たな機能開拓という意義があり、今後のスピントロニクス研究の広がりが期待されます。
図：(a) 強磁性共鳴によってYIGからグラフェンにスピン角運動量が注入される概念図。(b) イオン液体をグラフェン上に塗布した様子。イオン液体はBF 4 を用いた。(c) グラフェンにおけるスピン角運動量変換で生じる電圧を計測する概念図。
詳しい研究内容について
書誌情報
【DOI】
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.166102
S. Dushenko, H. Ago, K. Kawahara, T. Tsuda, S. Kuwabata, T. Takenobu, T. Shinjo, Y. Ando, and M. Shiraishi. (2016). Gate-Tunable Spin-Charge Conversion and the Role of Spin-Orbit Interaction in Graphene. Phys. Rev. Lett, 116(16), 166102.
