スピンの流れを利用した新規物理と次世代デバイスの開拓：大矢忍

スピン流とは、上向きスピンと下向スピンが逆向きに流れる状態です。特に、右図に示す「純スピン流」と呼ばれる状態では、それらの流れは電荷の流れとしては完全にキャンセルしていて、電流は検出できません。ただ、スピン軌道相互作用という量子力学的な効果を利用することにより、純スピン流を電流に変換したり、また、電流を純スピン流に変換したりすることができます。また、スピン流を利用することにより、磁石の向きを反転させたり、現在のトランジスタが苦手とする不揮発記憶の機能を新たにトランジスタに付加できたりすると期待されています。

スピンは結晶の乱れに対して非常に敏感であるため、スピン流を正確に制御するためには、単結晶で構築された高品質なナノ多層膜構造の作製が不可欠です。私の研究室では、分子線エピタキシー装置（Molecular-beam epitaxy; MBE）を用いて緻密に制御された結晶を作製しています。この装置では、超高真空（10^-8Pa=10^-13気圧）中で分子ビームを試料に照射して一原子層ずつ結晶を作製します。そのため、非常に高品質な単結晶多層膜を作製することができます。

原子レベルの制御性を持つ分子線エピタキシーを用いる大きな利点は、原子レベルで平坦なナノ構造を作製できることです。このような系においては、スピンの自由度を最大限活用することが可能です。私たちは、研究テーマの一つとして、スピントランジスタの実現を目指しています。このデバイスは、増幅機能を有するとともに、データを磁石の向きで記憶でき、超低消費電力デバイスとして実現が期待されています。提案から１０年以上が経ちましたが、高品質な結晶成長技術を駆使することにより、ようやく実現への道が見えてきました。これ以外にも、様々なスピン流デバイスの実現を試みています。