量子材料物性学分野

教授
新田淳作
准教授
好田 誠
助教
輕部修太郎

電子機器の将来像を大きく変える電子スピンの可能性その複雑な振る舞いの制御を通じて、半導体スピントロニクスの創製をめざす

 

次世代エレクトロニクスへの展開が待望されるスピントロニクス。
私たちの豊かで安全、快適・便利な暮らしは、日進月歩の進歩を遂げるエレクトロニクス機器の恩恵にあずかるところが大きいといえます。半導体素子によって電子の電荷を制御し、情報を処理することで機器をコントロールするエレクトロニクス製品は、デバイスを微細化・集積化することで発展してきました。しかし、今後さらに小型化・高速化、省エネルギー化を推進していくためには、これまでの技術に依存しない新しいデバイスの構築が必要であるとされています。そこで近年大きな関心と注目を集めているのが「スピントロニクス」です。
スピントロニクスはその名の通り、電子のスピン(電子の自転によって生じる磁力)を利用するもので、電子スピンが持つ上向きと下向きの二つの方向を自在に制御することにより、電荷と同じように情報として扱うことを目指すものです。電子スピンを情報処理に利用する上での大きな課題とされるのが、その複雑な動きの制御です。新田研究室では、電子スピンの向きを電場や超音波で制御する方法など、新しい研究成果や知見を世界に先駆けて発表しています。電子スピンは応答が早く、伝達・制御に際して抵抗による熱が発生しないことから、超高速・超省エネの次世代電子素子への応用が期待されています。そしてその延長線上には、夢の高速計算機といわれる量子コンピュータがあります。

異なる材料のハイブリット構造を用いた未知のスピン機能の探求。
新田研究室の取り組み、そのもう一つの柱が金属、磁性体、半導体のハイブリット構造を用いた新しいスピントロニクス機能の探求です。異なる材料の界面には個別の材料にはない未知の世界が広がっています。電子スピンはこれ以上分割できない微小な磁石ですから、これまで磁場によって生成、制御されてきました。エレクトロニクスのような微小回路で磁場を用いるには磁場発生用の金属配線に大電流を流す必要があります。磁性体/半導体構造を用いたスピン注入、金属/絶縁体/半導体構造における電場によるスピン回転制御、磁性体/金属構造における電気的磁気特性制御など、これまでの磁場による制御から電気的なスピンの制御が可能になるとエネルギーロスの極めて小さなエコ・スピンモバイルが可能になると期待されます。
これまで誰にも知られていなかった現象と、世界で初めて対峙できるのが研究の醍醐味。新田研究室が目指すのは、未来技術への貢献、そして夢を夢で終わらせないための努力と挑戦です。

Projects

従来のエレクトロニクスでは、実現不可能な超高速・超低消費電力デバイスを生み出す原動力、スピントロニクス

新田研究室発、新しい成果・知見に世界が注目! 夢の未来技術へまた一歩

スピンの幾何学的位相を検出するための半導体リング配列試料。リング半径は髪の毛の100分の1ほどの大きさをもつ。
電子スピンの幾何学的位相の概念図。実験ではリング径を変えることで、スピンの幾何学的位相の観測に成功した。

電子が有するもうひとつの自由度「スピン」

エレクトロニクス製品の性能は、“ 頭脳”の役割を果たす「半導体」によって支えられています。半導体を用いた電子部品には、トランジスタ、ダイオード(整流器)・発光ダイオード(LED)、集積回路(IC, LSI)などがあり、携帯電話、テレビ、コンピュータなどに組み込まれていることはみなさんもご存知でしょう。
―物質はすべて原子でできており、陽子(正の電荷を帯びる)と中性子が結合した原子核のまわりを負の電荷をもつ電子が回っている―ここまでは物理の教科書のおさらいですね。これまで半導体の研究・開発は、電子の「電荷」を制御することに力点を置いてきました。つまり「正(+)/負(-)」を「0/1」に対応させて、数値計算や論理演算など高度な情報処理を担わせてきたというわけです。しかし、電子は単に負の電気(量)をもつ粒子ではありません。原子核を周回しながら、自身も回転しているのです。イメージとしては、太陽のまわりを公転しながら、自転する地球の姿を思い浮かべていただくとよいかもしれません。 この電子のスピン(電荷を持った電子の自転によって生ずる磁力)と電荷の両方を利用することで、従来のエレクトロニクスでは実現し得なかった超省電力、超高速なデバイスを創製することができます。これがスピン+エレクトロニクス=スピントロニクスです!

めざすは究極の電子スピン制御技術の確立

電子スピンには、上向きと下向きのふたつの状態があり、この方向を自由自在に制御できれば電荷と同様に情報処理に利用することができます。しかし、言うは易く行うはかた難かたし。電子スピンの複雑な振る舞いを制するのは、とても難しく、これまで研究者たちの前にはだかっていました。
新田研究室では、電子スピンの複雑な運動を超音波によって制御することに成功、また電子スピンの幾何学的位相を電気的に検出するなど、新しい発見・知見を世界に先駆けて次々と発表しており※1、これらは、課題多き電子スピンの研究を加速させる推進力となっています。さらには学生さんも研究チームの一員として、その役割をしっかり果たしていることを付け加えておきましょう。
先端的研究への取り組みが自身を成長させる糧となり、さらには技術的突破へとつながっていく……新田研究室の取り組みは、世界、そして未来に連なっています。
※1 前者は2011年5月NTT物性科学基礎研究所と共同で行った研究、後者は2012年2月いずれも米国物理学会誌『Physical ReviewLetters』電子版に掲載。

Topics

がんばったね、院試のあとの小休止『夏合宿』
川で泳いでリフレッシュ!

それは2年前の夏も近づいたある日、美しい海に囲まれた島からやってきた学生さんがつぶやきました。「きれいな川で泳ぎたい……」「そうだね、たまには自然を満喫したいな」―山全体が国の天然記念物に指定されるほどの自然豊かな青葉山キャンパスに研究室があること、そして、海ではなくて川? というツッコミはさておき、旅行の最大の効用は気分転換にあります。大学院入試に全力投球して、燃え尽き状態の学部4年生を励ます意味も込め、みんなでワイワイと繰り出した夏合宿。思う存分泳いだ後は、スイカ割り、バーベキュー、花火……と夏合宿のフルコース。トルコのケバブ、そしてタイのラーブと、留学生がつくるお国の味も飛び出し、食の異文化交流も。秋保(仙台市)、花山(栗原市)と続いた川をめぐるプチ旅行。もちろん今年もやります!(院試のあとで……)

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