核スピン由来のスピン流を世界で初めて検出

スピントロニクスに新たな可能性

2018/10/23　東北大学, 科学技術振興機構,東京大学

東北大学金属材料研究所の塩見雄毅助教（現東京大学大学院工学系研究科特任講師）とヤナ・ルスティコバ氏（大学院博士課程・日本学術振興会特別研究員）、東北大学材料科学高等研究所の齊藤英治教授（現東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻教授兼任）らは、原子核の自転運動であるスピンの共鳴運動から生じたスピン流の検出に成功しました。この成果により、従来、金属中の伝導電子や強磁性体中のスピン波が主な研究対象となっていたスピントロニクスという固体素子研究に、核スピンを取り入れる可能性が拓かれました。

本成果は2018年10月22日（英国時間）に「Nature Physics」オンライン版で公開されました。

プレスリリース

核スピン由来のスピン流を世界で初めて検出
スピントロニクスに新たな可能性

【発表のポイント】
・原⼦核の⾃転運動であるスピン（核スピン）から⽣じるスピン流（注１）を電圧として検出することに世界で初めて成功しました。
・従来、伝導電⼦やスピン波（注 2）が主な研究対象だった次世代エレクトロニクス・スピントロニクスに核スピンをも利⽤できる可能性が⽰唆されました。

【概要】
東北⼤学⾦属材料研究所の塩⾒雄毅助教（現東京⼤学⼤学院⼯学系研究科特任講師）とヤナ・ルスティコバ⽒（⼤学院博⼠課程・⽇本学術振興会特別研究員）、東北⼤学材料科学⾼等研究所の⿑藤英治教授（現東京⼤学⼤学院⼯学系研究科物理⼯学専攻教授兼任）らは、原⼦核の⾃転運動であるスピンの共鳴運動から⽣じたスピン流の検出に成功しました。この成果により、従来、⾦属中の伝導電⼦や強磁性体中のスピン波が主な研究対象となっていたスピントロニクスという固体素⼦研究に、核スピンを取り⼊れる可能性が拓かれました。
本成果は 2018 年 10 ⽉ 22 ⽇（英国時間）に「Nature Physics」オンライン版で公開されました。

【研究の背景】
スピントロニクスは、電⼦が持つ電荷だけでなく、電⼦が持つスピンをも利⽤して、情報の処理・伝達・保存を⾏う技術です。スピントロニクスにおいて、電⼦スピンの伝搬を担うスピン流は最も重要な物理量です。これまで、⾦属中の伝導電⼦や磁性体中のスピン波をはじめ、様々なタイプのスピン流が発⾒されてきました。
物質中にはこのスピンを持った粒⼦が電⼦以外にもあります。それは原⼦核です。原⼦核のスピンは医療現場での⼤型検査機器などに使われる磁気共鳴イメージング法（MRI）に利⽤されていますが、核のスピンを調べるには⾮常に⼤きな磁場が必要であり、電⼦機器など⾝近なものではこれまで全く利⽤されていませんでした。⼀⽅で、核スピンは、電⼦スピンよりも⻑い時間スピンの情報を維持できるといった特徴があります。電⼦スピンと同じように、核スピンもスピントロニクスに利⽤できないのでしょうか？

【研究の内容・成果】

本研究では、炭酸マンガン（Ⅱ）（MnCO3）という物質に着⽬しました。この物質は磁化が反強磁性磁気秩序（注３）からわずかに傾いた弱強磁性体であり、⾮常に強い核スピンと電⼦スピンの相互作⽤があることが知られています。この相互作⽤によって核スピンと電⼦スピンとが連動し、核スピン波という集団運動を作ります。今回、この核スピンが、核スピン波を通じて作るスピン流を検出することに成功しました。

実験では、MnCO3に⽩⾦（Pt）を成膜したサンプルを使いました。MnCO3 にラジオ波を照射し、核磁気共鳴（注４）を起こします。この核磁気共鳴によって Mn の原⼦核スピンが運動を始めます。この核スピンの運動が核スピン波を作って電⼦スピンと結合することで、スピンポンピング（注５）と呼ばれる現象を通じて、Pt 層にスピン流を作ります。こうして作られたスピン流を、Pt層の逆スピンホール効果（注６）によって電圧として検出することに成功しました。

【今後の展望】

本研究は従来、核磁気共鳴法でしかその性質を知ることができなかった核スピンに、スピン流を使って電気的に調べられることを⽰した画期的な成果です。電⼦スピン同様に、核スピンを使ってもスピン流を作れることが⽰され、核スピンをスピントロニクスという固体素⼦研究の枠組みに取り⼊れる可能性が拓かれました。

【付記事項】本研究は、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業総括実施型研究（ERATO）⿑藤スピン量⼦整流プロジェクトの⼀環で⾏われました。
【論⽂情報】 “Spin pumping from nuclear spin waves” Yuki Shiomi, Jana Lustikova, Shingo Watanabe, Daichi Hirobe, Saburo Takahashi, and Eiji Saitoh DOI: http://dx.doi.org/10.1038/s41567-018-0310-x

【参考図】

図 1. 実験のセットアップの模式図（左）と、核スピン波の概念図（右） MnCO3 に Pt が成膜された試料に、ラジオ波を照射する。核磁気共鳴が起きた時に、Pt 層に⽣じる電圧を測定する。核スピンは超微細相互作⽤を通じて電⼦スピンと結合している。電⼦スピンにスピン波の励起が存在すると、電⼦スピン波を介して核スピンの間に実効的な相互作⽤（Suhl-Nakamura 相互作⽤）が働く。この相互作⽤によって核スピンと電⼦スピンが結合した核スピン波が⽣じ、スピンポンピングが⽣じると考えられる。

図 2. 観測されたスピンポンピング信号。核磁気共鳴によって核スピン波が励起される周波数 600MHz あたりに、2.4K 以下から電圧信号が確認できる。

【⽤語解説】
注1）スピン流電⼦の持つスピン⾓運動量の流れをスピン流と呼ぶ。電荷の流れである電流と対⽐される。注2）スピン波スピンの集団運動であり、個々のスピンのコマ運動（歳差運動）が波となって伝わっていく現象である。この現象を⽤いて情報を伝達できることが⿑藤教授らにより⽰されている。注3）反強磁性磁気秩序隣り合うスピンが、⼤きさは同じで逆向きに整列した状態。注4）核磁気共鳴磁場中に置かれた原⼦核にラジオ波を照射すると、特定の周波数で核スピンが共鳴し、歳差運動する現象のこと。注5）スピンポンピング強磁性体の磁化が外部からのエネルギーに共鳴して歳差運動(コマ運動) をすると、接合した⾦属にスピン流を⽣じさせる現象のこと。

注6）逆スピンホール効果スピン流と垂直な⽅向に起電⼒が発⽣する現象。電⼦のスピンと軌道の相互作⽤により上向きスピンを持った電⼦と下向きスピンを持った電⼦が互いに逆⽅向に散乱されることによって⽣じる。スピン情報と電気情報をつなぐ現象として、スピントロニクス分野で重要である。

【関連サイト】

・ERATO ⿑藤スピン量⼦整流プロジェクト WEB サイト： https://www.jst.go.jp/erato/saitoh/ja/index.html 本プロジェクトにおける過去の研究成果を掲載しています。

・スピンワールド： http://www.spinworld.jp/ ERATO ⿑藤量⼦スピン整流プロジェクトのアウトリーチサイトです。スピン科学やその基礎となる磁⽯の物理をやさしく解説しています。

【問い合わせ先】

◆研究に関すること

⿑藤英治（サイトウエイジ）

ERATO ⿑藤スピン量⼦整流プロジェクト研究総括

東京⼤学⼤学院⼯学系研究科物理⼯学専攻教授

東北⼤学材料科学⾼等研究所（AIMR）／⾦属材料研究所

◆JST の事業に関すること

古川雅⼠（フルカワマサシ）