2023-03-24 京都大学
A： 今回の研究で用いたBiの(110)結晶におけるスピン流(Js)生成の概念図。g因子が大きな方向にスピンを生成できるためスピン変換効率を大きくできる。
B：従来研究で用いられてきたBiの(111)結晶の場合、g因子が小さな方向でしかスピンを生成できていなかった。
電子工学専攻の福本直輝 修士課程学生、大島諒 助教、白石誠司 教授らのグループは東京大学、電気通信大学の研究グループと共同で、スピントロニクス技術において極めて重要な高効率に電流からスピン流を生み出す物質としてビスマスが非常に優れていることを実験的に証明することに成功しました。
高密度・高効率に記憶できるスピン注入メモリ(MRAM)に応用上大きな期待が集まっており、世界的に激しい研究開発競争が行われています。記憶層の書き込みには、従来用いられてきた電流を用いた手法に対して、低いエネルギー損失かつ高耐性で書き込みが行えるスピン流を用いる手法の優位性が認識されているため、そのスピン流を高効率で生成できる手法（スピン変換手法）の開発が極めて重要です。現在最も優れた方法と認識されているのがスピンホール効果を用いる手法であり、一般にこの手法では原子番号の大きな材料がよいとされているため、非放射性元素の中で一番原子番号の大きなビスマス(Bi)が理想的な材料であると期待されていました。しかし実験的には、Biのスピン流生成効率は何故かこれまでほとんどゼロであるいう報告しかなく、応用研究としてだけでなく物性物理学の基礎研究としても永年の謎（未解決問題）とされていました。
今回、京都大・東大・電通大の研究グループは、Biのとりうる結晶方位と、それによるg因子の違いに着目しました。理論的考察から、従来研究で用いられてきたBiはg因子が小さいため原理的に極めて低いスピン流生成効率しか得られない結晶構造であることを明らかにしました。更に結晶成長方法の工夫により、g因子が大きく高効率でスピン流を生成できるBiを得ることに成功しました。実験的に得られた生成効率は全元素中で最大のものの1つであり、本来Biに期待されるレベルのスピン変換効率を達成したと言えます。本成果は、スピン注入メモリ応用に重要な成果であると同時に、基礎研究面でも永年の未解決問題を遂に解決した、という意味で極めて重要な成果です。
本成果は2023年3月23日に米国科学アカデミーの学術誌である「Proceedings of National Academy of Science」誌にオンライン掲載されました。
研究者情報
白石誠司
大島諒
書誌情報
タイトル
“Observation of large spin conversion anisotropy in bismuth”
（ビスマスにおける大きな異方的スピン変換の観測）
著者
N. Fukumoto, R. Ohshima,, M. Aoki, Y. Fuseya, M. Matsushima, E. Shigematsu, T. Shinjo, Y. Ando, S. Sakamoto, M. Shiga, S. Miwa and M. Shiraishi
掲載誌
Proceedings of National Academy of Science (米国科学アカデミー紀要)
