(57)【要約】【課題】本発明は、キラル物質の特性を利用したキラル物質装置を提供する。【解決手段】本発明のキラル物質装置は、キラル物質層と、前記キラル物質層に第１電界を形成することができるように設けられた第１電極及び第２電極と、前記キラル物質層と接触するように設けられた第１スピン検出層とを備え、第１及び第２電極は、第１及び第２電極のうち少なくとも一方が第１入力信号を入力するように設けられ、かつ、第１入力信号を入力することにより前記キラル物質層に第１電界を形成するように設けられ、第１入力信号に応じて第１スピン検出層の第１電界を横切る方向に生じる電圧又は第１スピン検出層と前記キラル物質層との間に生じる電圧が変化することを特徴とする。【選択図】図１
2020188202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キラル物質層と、前記キラル物質層に第１電界を形成することができるように設けられた第１電極及び第２電極と、前記キラル物質層と接触するように設けられた第１スピン検出層とを備え、
第１及び第２電極は、第１及び第２電極のうち少なくとも一方が第１入力信号を入力するように設けられ、かつ、第１入力信号を入力することにより前記キラル物質層に第１電界を形成するように設けられ、
第１入力信号に応じて第１スピン検出層の第１電界を横切る方向に生じる電圧又は第１スピン検出層と前記キラル物質層との間に生じる電圧が変化することを特徴とするキラル物質装置。
【請求項２】
第１スピン検出層の材料は強磁性体であり、
第１入力信号に応じて第１スピン検出層と前記キラル物質層との間に生じる電圧が変化する請求項１に記載のキラル物質装置。
【請求項３】
前記キラル物質層に第１電界と平行な第２電界を形成することができるように設けられた第３電極及び第４電極をさらに備え、
第３及び第４電極は、第３及び第４電極のうち少なくとも一方が第２入力信号を入力するように設けられ、かつ、第２入力信号を入力することにより前記キラル物質層に第２電界を形成するように設けられ、
第１スピン検出層は、第１及び第２電極と第３及び第４電極との間に配置され、
第１及び第２入力信号に応じて第１スピン検出層の第１又は第２電界を横切る方向に生じる電圧又は第１スピン検出層と前記キラル物質層との間に生じる電圧が変化する請求項１又は２に記載のキラル物質装置。
【請求項４】
前記キラル物質層と接触するように設けられた第２スピン検出層をさらに備え、
第１及び第２スピン検出層は、第１及び第２電極と第３及び第４電極との間に並べて配置され、
第１及び第２入力信号に応じて、第１スピン検出層の第１又は第２電界を横切る方向に生じる電圧、第１スピン検出層と前記キラル物質層との間に生じる電圧、第２スピン検出層の第１又は第２電界を横切る方向に生じる電圧又は第２スピン検出層と前記キラル物質層との間に生じる電圧が変化する請求項３に記載のキラル物質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キラル物質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
対掌性（キラリティ）がある分子構造を有する物質やキラリティがある結晶構造を有する物質（以後、これらをまとめてキラル物質という）が知られている。例えば、乳酸C3H6O3はキラリティがある分子構造を有し、像と鏡像の関係にあるＤ−乳酸とＬ−乳酸が存在する。また、水晶（SiO2の結晶）はキラリティがある結晶構造を有する。水晶は、SiO4の四面体が頂点を共有する結晶構造を有し、SiO4のつながり方に注目すると、結晶の伸長方向（ｃ軸）に対してラセンを形成しており、ラセンが右巻きの結晶（右水晶）と左巻きの結晶（左水晶）とが存在する。右水晶の結晶構造と左水晶の結晶構造は像と鏡像の関係にある。
【０００３】
キラル物質では、キラル誘発スピン選択（ＣＩＳＳ）効果によりスピン偏極電子が生成されることが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、強磁性体などが示すスピン偏極がスピン吸収材に吸収されると、スピンの向きとスピンの流れの直交した方向に電荷の流れが生じること（逆スピンホール効果）が知られている（例えば、非特許文献１参照）。また、スピン流を検出することができる非局所スピンバルブが知られている（例えば、非特許文献２参照）。また、現行のCMOSトランジスタの技術的限界を突破する次世代デバイスとしてDatta-Das型スピントランジスタが考案され、それを契機にスピン偏極トランジスタ素子の研究が進んでいる（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１５−５１２１５９号公報
【特許文献２】WO2014/027555 A1
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】T. Kimura et al., Phys. Rev. Lett. 98, 156601 (2007)
【非特許文献２】F. J. Jedema et al., Nature 416, 713 (2002)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来のトランジスタは半導体装置であり製造コストが高い。また、スピントランジスタの研究開発では材料選択、デバイス構造、製造工程、動作条件などが大きな課題となっている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、キラル物質の特性を利用したキラル物質装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、キラル物質層と、前記キラル物質層に第１電界を形成することができるように設けられた第１電極及び第２電極と、前記キラル物質層と接触するように設けられた第１スピン検出層とを備え、第１及び第２電極は、第１及び第２電極のうち少なくとも一方が第１入力信号を入力するように設けられ、かつ、第１入力信号を入力することにより前記キラル物質層に第１電界を形成するように設けられ、第１入力信号に応じて第１スピン検出層の第１電界を横切る方向に生じる電圧又は第１スピン検出層と前記キラル物質層との間に生じる電圧が変化することを特徴とするキラル物質装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
第１及び第２電極は、第１入力信号を入力することによりキラル物質層に第１電界を形成する。このように電界を形成すると、キラリティ誘起スピン選択性（ＣＩＳＳ）効果によりキラル物質層にスピン偏極電子を生成することができる。
ＣＩＳＳ効果とは、電子がキラル高分子を通過するとスピン偏極する効果である。ＣＩＳＳ効果が高分子以外のキラル物質（例えば無機系キラル結晶）でも生じることは本発明者等が行った実験により明らかになった。
【０００９】
第１入力信号に応じて第１スピン検出層の第１電界を横切る方向に生じる電圧は変化する。従って、第１入力信号を第１スピン検出層の電圧に変換することができ、電圧の正負、高低、電流の方向などで出力信号を出力することができる。第１スピン検出層に生じる電圧の向きはキラル物質層に形成する電界の向きが変わると変化する。このことは、本発明者等が行った実験により明らかになった。なお、第１スピン検出層に生じる電圧は、逆スピンホール効果で生じると考えられる。
第１入力信号に応じて第１スピン検出層と前記キラル物質層との間に生じる電圧が変化する。従って、第１入力信号を第１スピン検出層と前記キラル物質層との間の電圧に変換することができ、この電圧の正負、高低、生じる電流の方向などで出力信号を出力することができる。なお、スピン検出層とキラル物質層との間に生じる電圧は、非局所スピンバルブと同様の効果で生じると考えられる。
また、ＣＩＳＳ効果の逆効果がキラル物質（例えば無機系キラル結晶）で生じることは本発明者等が行った実験により明らかになった。前記スピン検出層に電界を印加すると、相反定理で結びつく逆効果が成立するため、キラル物質に電圧が発生する。この電圧は前記電圧印加部を利用して検出することが可能である。検出される電圧は、キラル物質のキラリティにより異なるため、検出された電圧に基づきキラル物質のキラリティを検出することができる。キラリティ検出装置に対して、電源部と制御部をつなぎかえることにより、逆過程に対して動作することは、本発明の発明者等が行った実験により明らかになった。
また、本発明のキラル物質装置には、低い製造コスト、室温動作、無磁場動作、微細化可能、冗長化可能、再構成可能などのメリットが挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態のキラル物質装置の概略斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態のキラル物質装置の概略斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態のキラル物質装置の概略斜視図である。
【図４】スピン偏極した電子のポテンシャルの説明図である。
【図５】スピン偏極した電子のポテンシャルの説明図である。
【図６】スピン偏極した電子のポテンシャルの説明図である。
【図７】スピン偏極した電子のポテンシャルの説明図である。
【図８】（ａ）は本発明の一実施形態のキラル物質装置の概略斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示したキラル物質装置の概略断面図である。
【図９】スピン偏極した電子のポテンシャルの説明図である。
【図１０】スピン偏極した電子のポテンシャルの説明図である。
【図１１】スピン偏極した電子のポテンシャルの説明図である。
【図１２】スピン偏極した電子のポテンシャルの説明図である。
【図１３】入力信号の変化に伴うスピン流の変化及びスピン検出層に生じる電圧の変化の説明図である。
【図１４】本発明の一実施形態のキラル物質装置の概略斜視図である。
【図１５】CrNb3S6をキラル物質層として作製した測定用デバイスの写真である。
【図１６】WCを用いて作製した測定用デバイスの写真である。
【図１７】CrNb3S6又はWCに電圧を印加した際の電圧検出用電極間の電圧の変化及び電気抵抗値の変化を示すグラフである。
【図１８】CrNb3S6又はWCに電圧を印加した際のスピン検出層（Ｐｔ層）に生じる電圧の変化を示すグラフ及びスピン検出層の電気抵抗値を示すグラフである。
【図１９】CrNb3S6に電圧を印加した際のスピン検出層（Ｐｔ層）に生じる電圧の変化を示すグラフ及びスピン検出層の電気抵抗値を示すグラフである。
【図２０】（ａ）はCrSi2をキラル物質層として作製した測定用デバイスの写真であり、（ｂ）（ｃ）はこのデバイスを用いた電圧検出実験の結果を示すグラフである。
【図２１】（ａ）はNbSi2をキラル物質層として作製した測定用デバイスの写真であり、（ｂ）（ｃ）はこのデバイスを用いた電圧検出実験の結果を示すグラフである。
【図２２】（ａ）は左水晶をキラル物質層として作製した測定用デバイスの写真であり、（ｂ）はこのデバイスを用いた電圧検出実験の結果を示すグラフである。
【図２３】（ａ）は右水晶をキラル物質層として作製した測定用デバイスの写真であり、（ｂ）はこのデバイスを用いた電圧検出実験の結果を示すグラフである。
【図２４】（ａ）はNbSi2をキラル物質層として作製した測定用デバイスの写真であり、（ｂ）と（ｃ）はこのデバイスの電圧特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明のキラル物質装置は、キラル物質層と、前記キラル物質層に第１電界を形成することができるように設けられた第１電極及び第２電極と、前記キラル物質層と接触するように設けられた第１スピン検出層とを備え、第１及び第２電極は、第１及び第２電極のうち少なくとも一方が第１入力信号を入力するように設けられ、かつ、第１入力信号を入力することにより前記キラル物質層に第１電界を形成するように設けられ、第１入力信号に応じて第１スピン検出層の第１電界を横切る方向に生じる電圧又は第１スピン検出層と前記キラル物質層との間に生じる電圧が変化することを特徴とする。
【００１２】
第１スピン検出層の材料は強磁性体であることが好ましく、第１入力信号に応じて第１スピン検出層とキラル物質層との間に生じる電圧が変化することが好ましい。この電圧変化から出力信号を出力することが可能になる。
本発明のキラル物質装置は、キラル物質層に第１電界と平行な第２電界を形成することができるように設けられた第３電極及び第４電極を備えることが好ましい。第３及び第４電極は、第３及び第４電極のうち少なくとも一方が第２入力信号を入力するように設けられることが好ましく、かつ、第２入力信号を入力することによりキラル物質層に第２電界を形成するように設けられることが好ましい。第１スピン検出層は、第１及び第２電極と第３及び第４電極との間に配置されることが好ましく、第１及び第２入力信号に応じて第１スピン検出層の第１又は第２電界を横切る方向に生じる電圧又は第１スピン検出層とキラル物質層との間に生じる電圧が変化することが好ましい。このことにより、キラル物質装置を３値動作デバイスとして動作させることができる。
【００１３】
本発明のキラル物質装置は、キラル物質層と接触するように設けられた第２スピン検出層を備えることが好ましい。第１及び第２スピン検出層は、第１及び第２電極と第３及び第４電極との間に並べて配置されることが好ましく、第１及び第２入力信号に応じて、第１スピン検出層の第１又は第２電界を横切る方向に生じる電圧、第１スピン検出層とキラル物質層との間に生じる電圧、第２スピン検出層の第１又は第２電界を横切る方向に生じる電圧又は第２スピン検出層とキラル物質層との間に生じる電圧が変化することが好ましい。このことにより、第１及び第２スピン検出層のうちどちらか一方を選択して出力信号を出力することが可能になる。
【００１４】
以下、図面を用いて本発明の一実施形態を説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
【００１５】
図１〜３、８、１４は、それぞれ本実施形態のキラル物質装置の概略斜視図などである。
本実施形態のキラル物質装置２０は、キラル物質層２と、キラル物質層２に第１電界を形成することができるように設けられた第１電圧印加用電極３及び第２電圧印加用電極４と、キラル物質層２と接触するように設けられたスピン検出層５とを備え、第１電圧印加用電極３及び第２電圧印加用電極４は、第１電圧印加用電極３及び第２電圧印加用電極４のうち少なくとも一方が第１入力信号を入力するように設けられ、かつ、第１入力信号を入力することによりキラル物質層２に第１電界を形成するように設けられ、第１入力信号に応じてスピン検出層５の第１電界を横切る方向に生じる電圧又はスピン検出層５とキラル物質層２との間に生じる電圧が変化することを特徴とする。
【００１６】
キラル物質装置２０は、キラル物質の特性を利用した装置であり、トランジスタであってもよく、メモリであってもよく、論理素子であってもよい。
キラル物質とは、対掌性（キラリティ）がある分子構造を有する物質やキラリティがある結晶構造を有する物質である。キラル物質には右手系と左手系とが存在する。キラル物質の右手系と左手系とは鏡像異性体である。キラル物質は、無機系物質であってもよく、高分子であってもよく、有機分子であってもよく、液晶であってもよい。
【００１７】
キラル物質層２は、キラル物質を含む層である。キラル物質層２は、右手系キラル物質及び左手系キラル物質のうちどちらか一方を主に含む層とすることができる。また、キラル物質層２は、右手系キラル物質からなる層と左手系キラル物質からなる層とが組み合わされた構造を有してもよい。
キラル物質層２は、単結晶であってもよく、多結晶であってもよく、微晶質であってもよく、液晶であってもよく、粉末の凝集体であってもよい。また、キラル物質層２は、キラル物質を含むゲルであってもよい。また、キラル物質層２は、導電体であってもよく、半導体であってもよく、絶縁体であってもよい。
【００１８】
第１電圧印加用電極３及び第２電圧印加用電極４は、キラル物質層２に電界を形成するための電極である。第１電圧印加用電極３と第２電圧印加用電極４との間に電圧を印加することによりキラル物質層２に電界が形成される。キラル物質装置２０は、図１〜３に示した装置のように一対の電圧印加用電極３、４を有してもよく、図８、１４に示した装置のように電圧印加用電極３、４の対を複数有してもよい。
【００１９】
電極３、４を用いてキラル物質層２に電界を発生させると、キラリティ誘起スピン選択性（ＣＩＳＳ）効果によりキラル物質層２に含まれるキラル物質にスピン偏極電子を生じさせることができる。また、キラル物質層２に形成する電界の向きが変わると、スピン偏極の向きが変わる。
ＣＩＳＳ効果とは、電子がキラル高分子を通過するとスピン偏極する効果である。ＣＩＳＳ効果が高分子以外のキラル物質（例えば無機系キラル結晶）でも生じることが本発明者等が行った実験により明らかになった。
【００２０】
スピン検出層５は、キラル物質層２で生じさせたスピン偏極のスピンを吸収する層である。スピン検出層５は、キラル物質層２と接触するように設けられる。スピン検出層５の材料は、スピン流―電荷流の変換効率が大きい物質とすることができる。この場合、逆スピンホール効果により、スピン検出層５に電荷の流れが生じる。逆スピンホール効果では、スピン偏極がスピン吸収材に吸収されると、スピンの向きとスピンの流れの直交した方向に電荷の流れが生じる。このため、スピン検出層５に生じる電圧の向きや大きさは、キラル物質層２で生じさせたスピン偏極のスピンの向きに応じて変わる。
この場合、スピン検出層５は、図１、２に示したキラル物質装置２０のように設けることができる。
【００２１】
スピン検出層５の材料は、スピンホール角が大きいスピン吸収材料が好ましい。例えば、スピン軌道相互作用が大きい物質（Pt, W など）、トポロジカル絶縁体、（ワイル）半金属、２次元ガス系、金属/酸化物や金属/分子などのハイブリッド膜、酸化物、分子、誘電体、半導体、ラシュバ系などが挙げられる。
【００２２】
スピン検出層５の材料は、強磁性材料であってもよい。このようなスピン検出層５をキラル物質層２と接触させることにより、スピンバルブのように、キラル物質層２に含まれるキラル物質のスピン偏極がスピン検出層５の電荷流を引き起こし、スピン検出層５とキラル物質層２との間に電圧を発生させることができる。この場合、スピン検出層５は、一様磁化状態となるように形状が異方的なものが望ましい。
この場合、スピン検出層５は、図３に示したキラル物質装置２０のように設けることができる。また、スピン検出層５とキラル物質層２との間の電圧は、図３に示したように、キラル物質層２と電気的に接続した電圧検出用電極８を用いて検出することができる。
【００２３】
スピン検出層５は、例えば、図１に示したキラル物質装置２０のように、電圧印加用電極３、４の間に配置してもよい。また、スピン検出層５は、例えば、図２、３、８、１４に示したキラル物質装置２０のように電圧印加用電極３、４の間に配置しなくてもよい。なお、電圧印加用電極３、４を用いてキラル物質層２に生じさせたスピン偏極は、電極３と電極４の間のキラル物質層２にのみ生じるのではなく、キラル物質層２の電界を発生させていない部分にもスピン偏極を生じさせる。このことは本発明者等が行った実験により明らかになった。
また、一対の電圧印加用電極３、４を複数設ける場合、図８に示したように電圧印加用電極３、４の対と隣接する電圧印加用電極３、４の対との間にスピン検出層５を複数配置してもよい。このことにより、出力信号を出力するスピン検出層５を選択することが可能になる。
【００２４】
入力部６は、電圧印加用電極３、４のうち少なくとも一方に入力信号を入力し、電圧印加用電極３、４の間のキラル物質層２に電界を形成するように設けられる。このため、入力信号に応じて変化する電界をキラル物質層２に形成することができる。例えば、入力部６は、入力信号に応じてキラル物質層２に形成される電界の向きが変わるように設けることができる。キラル物質層２の電界の向きが変わると、キラル物質層２のスピン偏極の向きも変わる。このため、図１、２に示した装置２０のようにスピン検出層５を設けている場合、入力信号に応じてスピン検出層５の電界を横切る方向に生じる電圧の向きも変わる。この電圧の向きを出力部７から出力信号として出力することにより、入力信号を出力信号に変換することができる。
図３に示した装置２０のように強磁性体のスピン検出層５を設けている場合、入力信号に応じてスピン検出層５と電極８（キラル物質層２に電気的に接続している）との間に生じる電圧の向きも変わる。この電圧の向きを出力部７から出力信号として出力することにより、入力信号を出力信号に変換することができる。
【００２５】
次に、図４〜７を用いてキラル物質層２のスピン偏極した電子のポテンシャル及びスピン検出層５の電圧について説明する。図４、５では図１に示した装置２０を用いており、図６、７では図２に示した装置２０を用いている。ここではスピン偏極について、右方向にスピン偏極した電子と左方向にスピン偏極した電子とを用いて説明する。
図４（ｂ）、図５（ｂ）、図６（ｂ）、図７（ｂ）に示したグラフにおいて、点線は右方向にスピン偏極した電子のポテンシャルであり、実線は左方向にスピン偏極した電子のポテンシャルであり、破線は右方向にスピン偏極した電子のポテンシャルと左方向にスピン偏極した電子のポテンシャルとを合わせたポテンシャルである。なお、キラル物質層２が右手系キラル物質か左手系キラル物質かでスピン偏極の向きは変わるが、図４〜７では、同じキラル物質を用いているものとする。
【００２６】
図４のように、電極３から電極４へ向かう電流が流れるようにキラル物質層２に電界を発生させると、キラリティ誘起スピン選択性（ＣＩＳＳ）効果によりスピン偏極が生じ、例えば右方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが高くなり、左方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが低くなる。また電極３、４の間の電界により、電子のポテンシャルは電極４に近いほど高くなる。この場合、スピン検出層５は右方向にスピン偏極した電子のスピンを吸収し、逆スピンホール効果によりスピン検出層５に電圧が生じる。
【００２７】
図５のように、電極４から電極３へ向かう電流が流れるようにキラル物質層２に電界を発生させると、ＣＩＳＳ効果によりスピン偏極が生じ、例えば左方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが高くなり、右方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが低くなる。また電極３、４の間の電界により、電子のポテンシャルは電極３に近いほど高くなる。この場合、スピン検出層５は左方向にスピン偏極した電子のスピンを吸収し、逆スピンホール効果によりスピン検出層５に電圧が生じる。
このため、図４と図５では、スピン検出層５が吸収するスピンの向きが逆であるため、電圧が生じる向きも逆になる。このように入力信号により電極３と電極４との間のキラル物質層２に発生させる電界の向きを変えることによりスピン検出層５で発生させる電圧の向きを変えることができ、出力信号を出力することができる。
【００２８】
図６のように、電極３から電極４へ向かう電流が流れるようにキラル物質層２に電界を発生させると、ＣＩＳＳ効果によりスピン偏極が生じ、例えば右方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが高くなり、左方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが低くなる。また電極３、４の間の電界により、電子のポテンシャルは電極４に近いほど高くなる。この場合、電極４の直下のキラル物質層２におけるスピン偏極状態は、電極４の右側の電圧を印加していないキラル物質層２の部分においても保たれる。このため、電極３、４の間ではなく、電極４の右側に配置されたスピン検出層５は右方向にスピン偏極した電子のスピンを吸収し、逆スピンホール効果によりスピン検出層５に電圧が生じる。
【００２９】
図７のように、電極４から電極３へ向かう電流が流れるようにキラル物質層２に電界を発生させると、ＣＩＳＳ効果によりスピン偏極が生じ、例えば左方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが高くなり、右方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが低くなる。また電極３、４の間の電界により、電子のポテンシャルは電極３に近いほど高くなる。この場合、電極４の直下のキラル物質層２におけるスピン偏極状態は、電極４の右側の電圧を印加していないキラル物質層２の部分においても保たれる。このため、電極３、４の間ではなく、電極４の右側に配置されたスピン検出層５は左方向にスピン偏極した電子のスピンを吸収し、逆スピンホール効果によりスピン検出層５に電圧が生じる。
このため、図６と図７では、スピン検出層５が吸収するスピンの向きが逆であるため、電圧が生じる向きも逆になる。このように入力信号により電極３と電極４との間のキラル物質層２に発生させる電界の向きを変えることによりスピン検出層５で発生させる電圧の向きを変えることができ、出力信号を出力することができる。
【００３０】
次に、図９〜１２を用いてキラル物質層２のスピン偏極した電子のポテンシャル及びスピン検出層５ｂの電圧について説明する。
図９〜１２では図８に示した装置２０を用いている。ここではスピン偏極について、右方向にスピン偏極した電子と左方向にスピン偏極した電子とを用いて説明する。
図９（ｃ）、図１０（ｃ）、図１１（ｃ）、図１２（ｃ）に示したグラフにおいて、点線は右方向にスピン偏極した電子のポテンシャルであり、実線は左方向にスピン偏極した電子のポテンシャルであり、破線は右方向にスピン偏極した電子のポテンシャルと左方向にスピン偏極した電子のポテンシャルとを合わせたポテンシャルである。なお、キラル物質層２が右手系キラル物質か左手系キラル物質かでスピン偏極の向きは変わるが、図９〜１２では、同じキラル物質を用いているものとする。
【００３１】
図９のように、入力部６ａを用いて電極３ａから電極４ａへ向かう電流が流れるようにキラル物質層２に電界を発生させると、電極３ａ、４ａの間のキラル物質層２では、ＣＩＳＳ効果によりスピン偏極が生じ右方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが高くなり、左方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが低くなる。また電極３ａ、４ａの間の電界により、電子のポテンシャルは電極４ａに近いほど高くなる。
また、図９のように、入力部６ｂを用いて電極４ｂから電極３ｂへ向かう電流が流れるようにキラル物質層２に電界を発生させると、電極３ｂ、４ｂの間のキラル物質層２では、ＣＩＳＳ効果によりスピン偏極が生じ左方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが高くなり、右方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが低くなる。また電極３ｂ、４ｂの間の電界により、電子のポテンシャルは電極３ｂに近いほど高くなる。
【００３２】
この場合、電極４ａと電極３ｂとの間のキラル物質層２には電流は流れないが、右方向にスピン偏極した電子のポテンシャルは電極４ａから電極３ｂに向かうほど小さくなり、左方向にスピン偏極した電子のポテンシャルは電極３ｂから電極４ａに向かうほど小さくなる。このため、電極４ａと電極３ｂとの間のキラル物質層２には、電界方向に平行に偏極したスピン流（Ｊs = Ｄ ∇（ｎ↑−ｎ↓））が右向きに流れる。
また、スピン検出層５ｂの直下のキラル物質層２では、右方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが左方向にスピン偏極した電子のポテンシャルと同じであるため、スピン検出層５ｂには電圧が生じない（Ｖxy＝０）。
【００３３】
図１０のように、入力部６ａを用いて電極３ａから電極４ａへ向かう電流が流れるようにキラル物質層２に電界を発生させると、電極３ａ、４ａの間のキラル物質層では、ＣＩＳＳ効果によりスピン偏極が生じ右方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが高くなり、左方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが低くなる。また電極３ａ、４ａの間の電界により、電子のポテンシャルは電極４ａに近いほど高くなる。
また、図１０のように、入力部６ｂを用いて電極３ｂから電極４ｂへ向かう電流が流れるようにキラル物質層２に電界を発生させると、電極３ｂ、４ｂの間のキラル物質層では、ＣＩＳＳ効果によりスピン偏極が生じ右方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが高くなり、左方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが低くなる。また電極３ｂ、４ｂの間の電界により、電子のポテンシャルは電極４ｂに近いほど高くなる。
【００３４】
この場合、電極４ａと電極３ｂとの間のキラル物質層２には電流は流れないが、電極４ａと電極３ｂとの間のキラル物質層２では、右方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが高く左方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが低い状態が保たれる。このため、電極４ａと電極３ｂとの間のキラル物質層２にはスピン流は流れない（Ｊs＝０）。また、スピン検出層５ｂの直下のキラル物質層２では、右方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが高く左方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが低いため、スピン検出層５ｂに電圧が生じる（Ｖxyは正）。
【００３５】
図１１のように、入力部６ａを用いて電極４ａから電極３ａへ向かう電流が流れるようにキラル物質層２に電界を発生させると、電極３ａ、４ａの間のキラル物質層では、ＣＩＳＳ効果によりスピン偏極が生じ左方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが高くなり、右方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが低くなる。また電極３ａ、４ａの間の電界により、電子のポテンシャルは電極３ａに近いほど高くなる。
また、図１１のように、入力部６ｂを用いて電極３ｂから電極４ｂへ向かう電流が流れるようにキラル物質層２に電界を発生させると、電極３ｂ、４ｂの間のキラル物質層では、ＣＩＳＳ効果によりスピン偏極が生じ右方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが高くなり、左方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが低くなる。また電極３ｂ、４ｂの間の電界により、電子のポテンシャルは電極４ｂに近いほど高くなる。
【００３６】
この場合、電極４ａと電極３ｂとの間のキラル物質層２には電流は流れないが、左方向にスピン偏極した電子のポテンシャルは電極４ａから電極３ｂに向かうほど小さくなり、右方向にスピン偏極した電子のポテンシャルは電極３ｂから電極４ａに向かうほど小さくなる。このため、電極４ａと電極３ｂとの間のキラル物質層２には、電界方向に平行に偏極したスピン流（Ｊs = Ｄ ∇（ｎ↑−ｎ↓））が左向きに流れる。
また、スピン検出層５ｂの直下のキラル物質層２では、右方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが左方向にスピン偏極した電子のポテンシャルと同じであるため、スピン検出層５ｂには電圧が生じない（Ｖxy＝０）。
【００３７】
図１２のように、入力部６ａを用いて電極４ａから電極３ａへ向かう電流が流れるようにキラル物質層２に電界を発生させると、電極３ａ、４ａの間のキラル物質層では、ＣＩＳＳ効果によりスピン偏極が生じ左方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが高くなり、右方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが低くなる。また電極３ａ、４ａの間の電界により、電子のポテンシャルは電極３ａに近いほど高くなる。
また、図１２のように、入力部６ｂを用いて電極４ｂから電極３ｂへ向かう電流が流れるようにキラル物質層２に電界を発生させると、電極３ｂ、４ｂの間のキラル物質層２では、ＣＩＳＳ効果によりスピン偏極が生じ左方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが高くなり、右方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが低くなる。また電極３ｂ、４ｂの間の電界により、電子のポテンシャルは電極３ｂに近いほど高くなる。
【００３８】
この場合、電極４ａと電極３ｂとの間のキラル物質層２には電流は流れないが、電極４ａと電極３ｂとの間のキラル物質層２では、左方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが高く右方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが低い状態が保たれる。このため、電極４ａと電極３ｂとの間のキラル物質層２にはスピン流は流れない（Ｊs＝０）。また、スピン検出層５ｂの直下のキラル物質層２では、左方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが高く右方向にスピン偏極した電子のポテンシャルが低いため、スピン検出層５ｂに電圧が生じる（Ｖxyは負）。
【００３９】
図１３には、入力部６ａ、６ｂからの入力信号により図９に示した状態（状態Ｉ）、図１０に示した状態（状態II）、図１１に示した状態（状態III）、図１２に示した状態（状態IV）を切り替え、出力信号をスピン流Ｊs又はスピン検出層５ｂに生じる電圧Ｖxyとしたときの出力信号のタイムチャートを示している。
このように、図８に示したようなキラル物質装置２０は３値動作デバイスとして機能させることができる。また、キラル物質装置２０は、出力値を絶対値として２値動作デバイスとして機能させることもできる。
【００４０】
図１４は、本実施形態のキラル物質装置２０の概略斜視図である。このように電圧印加用電極３、４とスピン検出層５とを交互に並べてキラル物質層２上に配置することができる。このことにより、キラル物質装置２０をアレイ化することができる。また、デバイス動作する領域を任意に選択することができる。また、キラル物質装置２０を冗長化することができる。また、キラル物質装置２０を再構成することが可能になる。
【００４１】
第１キラリティ検出実験
キラル物質層をキラル物質であるCrNb3S6として図１のような装置Ａを作製した。また、装置Ａには、キラル物質層のｘ方向の電圧を測定する電圧検出用電極も設けた。CrNb3S6には、16.9μｍ×9.5μｍ×500ｎｍの単結晶を用いた。CrNb3S6のｃ軸（らせん軸）はｘ方向となるようにCrNb3S6を配置した。また、スピン検出層は、2μｍ×9.5μｍ×25ｎｍのＰｔ層とした。Ｐｔ層の抵抗率は450μΩｃｍであり、CrNb3S6単結晶の抵抗率は650μΩｃｍであった。
作製した装置Ａの写真を図１５に示す。配線（１）（２）が電圧印加用電極でありCrNb3S6単結晶のｘ方向に電圧を印加する電極である。配線（５）（６）が電圧検出用電極でありCrNb3S6単結晶のｘ方向の電圧を検出する電極である。配線（４）（８）は、Ｐｔ層の端部に接続し、Ｐｔ層のｙ方向の電圧を検出する電極である。
【００４２】
キラル物質層に相当する層を非キラル物質であるＷＣ（タングステンカーバイト）として図１のような装置Ｂを作製した。また、装置Ｂには、ＷＣ層のｘ方向の電圧を測定する電圧検出用電極も設けた。ＷＣには、16.4μｍ×8.4μｍ×40ｎｍのサイズのものを用いた。また、スピン検出層は、2μｍ×8.4μｍ×25ｎｍのＰｔ層とした。Ｐｔ層の抵抗率は450μΩｃｍであり、ＷＣの抵抗率は530μΩｃｍである。
作製した装置Ｂの写真を図１６に示す。配線（１）（２）が電圧印加用電極でありＷＣのｘ方向に電圧を印加する電極である。配線（４）（５）が電圧検出用電極でありＷＣのｘ方向の電圧を検出する電極である。配線（３）（６）は、Ｐｔ層の端部に接続し、Ｐｔ層のｙ方向の電圧を検出する電極である。
【００４３】
装置ＡのCrNb3S6単結晶に流れる電流（（１）→（２））が−５ｍＡから５ｍＡとなるように配線（１）（２）の間に印加する電圧を変化させて配線（５）（６）間の電圧Ｖxx（CrNb3S6単結晶のｘ方向の電圧）及び配線（４）（８）間の電圧Ｖxy（Ｐｔ層のｙ方向の電圧）を測定した。また、測定値からCrNb3S6単結晶の抵抗値Ｒxx及びＰｔ層の抵抗値Ｒxyを算出した。
CrNb3S6単結晶を流れる電流が配線（１）から配線（２）へ流れるときの電流値をプラスとし、電流が配線（２）から配線（１）へ流れるときの電流値をマイナスとした。電圧Ｖxxは、配線（５）の電位が配線（６）の電位より高いときにプラスの電圧とした。電圧Ｖxyは、配線（４）の電位（CrNb3S6にプラスの電流が流れる方向を向いて右側）が配線（８）の電位（CrNb3S6にプラス電流が流れる方向を向いて左側）よりも高いときにプラスの電圧とした。
【００４４】
装置ＢのＷＣに流れる電流（（１）→（２））が−５ｍＡから５ｍＡとなるように配線（１）（２）の間に印加する電圧を変化させて配線（４）（５）間の電圧Ｖxx（ＷＣのｘ方向の電圧）及び配線（３）（６）間の電圧Ｖxy（Ｐｔ層のｙ方向の電圧）を測定した。また、測定値からＷＣの抵抗値Ｒxx及びＰｔ層の抵抗値Ｒxyを算出した。
ＷＣを流れる電流が配線（１）から配線（２）へ流れるときの電流値をプラスとし、電流が配線（２）から配線（１）へ流れるときの電流値をマイナスとした。電圧Ｖxxは、配線（４）の電位が配線（５）の電位より高いときにプラスの電圧とした。電圧Ｖxyは、配線（３）の電位（ＷＣにプラスの電流が流れる方向を向いて右側）が配線（６）の電位（ＷＣにプラスの電流の流れる方向を向いて左側）よりも高いときにプラスの電圧とした。
【００４５】
横方向の測定電圧値Ｖxxの変化を示すグラフを図１７（ａ）に示し、算出された抵抗値Ｒxxの変化を示すグラフを図１７（ｂ）に示す。装置Ａ、ＢのいずれでもＶxxは、配線（１）（２）間に印加する電圧に応じて変化した。また、Ｒxxは一定であった。
Ｐｔ層の縦方向の測定電圧値Ｖxyの変化を示すグラフを図１８（ａ）に示し、算出された抵抗値Ｒxyの変化を示すグラフを図１８（ｂ）に示す。装置Ｂ（ＷＣ）ではＶxyは出力されずＲxyはゼロであったのに対し、装置Ａ（CrNb3S6）では、CrNb3S6にプラスの電流が流れるように電圧が印加するとＰｔ層にプラスの電圧Ｖxyが生じ、CrNb3S6にマイナスの電流が流れるように電圧が印加するとＰｔ層にマイナスの電圧Ｖxyが生じた。電圧Ｖxyと、CrNb3S6に流れる電流Ｉとは比例関係にあった。また、作製した装置ＡにおいてＲxyはCrNb3S6に流す電流Ｉが大きくなるほど少しずつ大きくなりやや非線形な振舞いを示した。
【００４６】
従って、キラル物質層に電流を流すとスピン検出層であるＰｔ層に電圧が生じることがわかった。このことから、キラル物質層に電流を流しスピン検出層に電圧が生じるか否かを調べることにより、キラル物質か否かを判別することができることがわかった。
スピン検出層に電圧が生じた理由は、キラリティ誘起スピン選択性（ＣＩＳＳ）効果によりキラル物質にスピン偏極状態が生じ、このスピン偏極状態が、逆スピンホール効果によりスピン軌道相互作用が大きい物質であるＰｔ（スピン検出層）の電荷流に変換され電圧が生じたためと考えられる。
【００４７】
次に、装置Ａを用いて電圧印加電極を変更して電圧Ｖxy（Ｐｔ層のｙ方向の電圧）を測定した。具体的には、図１９（ａ）に示した実線矢印のように配線（５）と配線（２）との間に電流を流した際の配線（４）（８）間の電圧Ｖxy（Ｐｔ層のｙ方向の電圧）を測定した。また、図１９（ａ）に示した点線矢印のように配線（６）と配線（２）との間に電流を流した際の配線（４）（８）間の電圧Ｖxy（Ｐｔ層のｙ方向の電圧）を測定した。電圧ＶxyからＰｔ層の抵抗値Ｒxyを算出した。
なお、印加電圧電極間の距離（CrNb3S6単結晶における電流が流れる距離）は、実線矢印のほうが点線矢印よりも長い。また、電流Ｉのプラス・マイナス及び電圧Ｖxyのプラス・マイナスは、上述の装置Ａを用いた測定と同じである。
【００４８】
図１９（ｂ）は電圧Ｖxyの変化を示すグラフであり、図１９（ｃ）は抵抗値Ｒxyの変化を示すグラフである。電圧Ｖxyは、図１８（ａ）の装置Ａでの測定結果と同様に、CrNb3S6にプラスの電流が流れるように電圧が印加するとＰｔ層にプラスの電圧Ｖxyが生じ、CrNb3S6にマイナスの電流が流れるように電圧が印加するとＰｔ層にマイナスの電圧Ｖxyが生じた。
【００４９】
従って、スピン検出層であるＰｔ層を印加電圧用電極の間に配置していない場合でもスピン検出層に電圧が生じることがわかった。
キラル物質の電流が流れていない領域に接触するように設けたスピン検出層に電圧が生じる理由としては、キラリティ誘起スピン選択性（ＣＩＳＳ）効果によりキラル物質に生じるスピン偏極状態は、キラル物質の電流が流れていない部分のスピン偏極を引き起こすと考えられる。この引き起こされたスピン偏極が逆スピンホール効果によりＰｔ（スピン検出層）の電荷流に変換され電圧が生じたと考えられる。距離依存性はあるものの、比較的長い距離に渡って 起電力が検出可能であることがわかった。具体的には、数μm 程度の検出に加えて 10mm 程度の距離まで信号を検出している。
【００５０】
キラリティ判別実験
スピン検出層に生じる電圧からキラル物質層に含まれるキラル物質の左手系と右手系を判別できるかどうかを確かめる実験を行った。
左手系のキラル物質にはCrSi2（Ｐ６4２２（Ｄ65））のバルク多結晶を用いた。CrSi2は、左巻きらせんの原子配列を有する結晶構造を有する。多結晶中のらせん軸の向きはバラバラである（無配向試料）。
図２０（ａ）にキラル物質層にCrSi2バルク多結晶を用いて作製した装置Ｃの写真を示す。CrSi2バルク多結晶の両端には電圧印加用電極である配線（１）（２）を設けている。配線（１）（２）の間には、２つのＰｔ層を設け、左側のＰｔ層の両端に配線（３）（５）を接続し、右側のＰｔ層の両端に配線（４）（６）を接続した。
【００５１】
装置ＣのCrSi2バルク多結晶に流れる電流（（１）→（２））が−２１ｍＡから２１ｍＡとなるように配線（１）（２）の間に印加する電圧を変化させて配線（３）（４）間の電圧Ｖxx（CrSi2バルク多結晶のｘ方向の電圧）及び配線（４）（６）間の電圧Ｖxy（Ｐｔ層のｙ方向の電圧）を測定した。
CrSi2バルク多結晶を流れる電流が配線（１）から配線（２）へ流れるときの電流値をプラスとし、電流が配線（２）から配線（１）へ流れるときの電流値をマイナスとした。電圧Ｖxxは、配線（３）の電位が配線（４）の電位より高いときにプラスの電圧とした。電圧Ｖxyは、配線（４）の電位（CrSi2バルク多結晶にプラスの電流が流れる方向を向いて右側）が配線（６）の電位（CrSi2バルク多結晶にプラスの電流が流れる方向を向いて左側）よりも高いときにプラスの電圧とした。
【００５２】
ｘ方向の測定電圧値Ｖxxの変化を示すグラフを図２０（ｂ）に示し、Ｐｔ層のｙ方向の測定電圧値Ｖxyの変化を示すグラフを図２０（ｃ）に示す。電圧値Ｖxxは、配線（１）（２）間に印加する電圧に応じて変化した。電圧値Ｖxyは、CrSi2バルク多結晶にプラスの電流が流れるように電圧が印加されるとマイナスの電圧となり、CrSi2バルク多結晶にマイナスの電流が流れるように電圧が印加されるとプラスの電圧となった。電圧Ｖxyと、CrSi2バルク多結晶に流れる電流Ｉとは比例定数がマイナスの比例関係にあった。
【００５３】
右手系のキラル物質にはNbSi2（Ｐ６4２２（Ｄ64））のバルク多結晶を用いた。NbSi2は、右巻きらせんの原子配列を有する結晶構造を有する。多結晶中のらせん軸の向きはバラバラである（無配向試料）。
図２１（ａ）にキラル物質層にNbSi2バルク多結晶を用いて作製した装置Ｄの写真を示す。NbSi2バルク多結晶の両端には電圧印加用電極である配線（１）（２）を設けている。配線（１）（２）の間には、２つのＰｔ層を設け、左側のＰｔ層の両端に配線（３）（５）を接続し、右側のＰｔ層の両端に配線（４）（６）を接続した。
【００５４】
装置ＤのNbSi2バルク多結晶に流れる電流（（１）→（２））が−２１ｍＡから２１ｍＡとなるように配線（１）（２）の間に印加する電圧を変化させて配線（５）（６）間の電圧Ｖxx（NbSi2バルク多結晶のｘ方向の電圧）及び配線（４）（６）間の電圧Ｖxy（Ｐｔ層のｙ方向の電圧）を測定した。
NbSi2バルク多結晶を流れる電流が配線（１）から配線（２）へ流れるときの電流値をプラスとし、電流が配線（２）から配線（１）へ流れるときの電流値をマイナスとした。電圧Ｖxxは、配線（５）の電位が配線（６）の電位より高いときにプラスの電圧とした。電圧Ｖxyは、配線（４）の電位（NbSi2バルク多結晶にプラスの電流が流れる方向を向いて右側）が配線（６）の電位（NbSi2バルク多結晶にプラスの電流が流れる方向を向いて左側）よりも高いときにプラスの電圧とした。
【００５５】
ｘ方向の測定電圧値Ｖxxの変化を示すグラフを図２１（ｂ）に示し、Ｐｔ層のｙ方向の測定電圧値Ｖxyの変化を示すグラフを図２１（ｃ）に示す。電圧値Ｖxxは、配線（１）（２）間に印加する電圧に応じて変化した。電圧値Ｖxyは、NbSi2バルク多結晶にプラスの電流が流れるように電圧が印加されるとプラスの電圧となり、NbSi2バルク多結晶にマイナスの電流が流れるように電圧が印加されるとマイナスの電圧となった。電圧Ｖxyと、NbSi2バルク多結晶に流れる電流Ｉとは比例定数がプラスの比例関係にあった。
【００５６】
これらの実験から右手系キラル物質を用いた装置のスピン検出層に生じる電圧の向きは、左手系キラル物質を用いた装置のスピン検出層に生じる電圧の向きと逆であることがわかった。このことから、キラル物質層に電流を流しスピン検出層に生じる電圧の向きを調べることにより、キラル物質を右手系か左手系かを判別することができることがわかった。
スピン検出層に生じる電圧の向きが逆になる理由としては、キラリティ誘起スピン選択性（ＣＩＳＳ）効果によりキラル物質のスピン偏極状態の偏極方向が、右手系と左手系とで逆になると考えられる。このため、逆スピンホール効果によりスピン流が変換されて生じるスピン検出層の電圧の向きも、右手系と左手系とで逆になると考えられる。
【００５７】
無配向試料である多結晶キラル物質を用いた装置Ｃ、Ｄでも、スピン検出層に電圧が生じたことから、スピン検出層で生じる電圧の向きは、スピン軸の向きに関わらずキラル物質が右手系か左手系かで決まることがわかった。従って、ＣＩＳＳ効果は、キラル物質の分子レベル（又は結晶レベル）で成立することがわかった。このことから、溶液中のキラル物質、キラル物質である液晶、キラル物質である絶縁体でも同様に右手系か左手系かを判別することができると考えられる。
【００５８】
第２キラリティ検出実験
上述の第１キラリティ検出実験及びキラリティ判別実験では、キラル物質層に導電体を用いたが、第２キラリティ検出実験ではキラル物質層に絶縁体である左水晶と右水晶を用いて実験を行った。左水晶は、結晶構造に左巻きのらせんの原子配列を有する左手系のキラル物質であり、右水晶は、結晶構造に右巻きのらせんの原子配列を有する右手系のキラル物質である。なお、水晶は絶縁体であるため、キラル物質には電流は流れない。そこで、ＣＩＳＳ効果の逆効果を用いて測定を行った。つまり、Ｐｔ層の両端に電圧を印加し、キラル物質に発生する電圧を検出する。
【００５９】
図２２（ａ）に左水晶を用いて作製した装置Ｅの写真を示す。左水晶の両端には電圧検出用電極である配線（１）（２）を設けている。配線（１）（２）の間にＰｔ層（スピン検出層）を設け、Ｐｔ層の両端に配線（３）（４）を接続した。このＰｔ層は第１キラリティ検出実験ではスピン検出層として機能したが、逆効果を用いる第２キラリティ検出実験では、電圧印加用電極として機能する。
配線（３）（４）を用いてＰｔ層に印加する電圧（パルス電圧）を変化させて配線（１）（２）間の電圧Ｖyx（水晶のｘ方向の電圧）を測定した。
Pt層を流れる電流が配線（３）から配線（４）へ流れるときの電流値をプラスとし、電流が配線（４）から配線（３）へ流れるときの電流値をマイナスとした。電圧Ｖyxは、配線（１）の電位（Pt層にプラスの電流が流れる方向を向いて右側）が配線（２）の電位（Pt層にプラス電流が流れる方向を向いて左側）よりも高いときにプラスの電圧とした。
【００６０】
水晶のｘ方向の測定電圧値Ｖyxの変化を示すグラフを図２２（ｂ）に示す。図２２（ｂ）ではＰｔ層に印加する電圧を電流値Ｉ（ｍＡ）で示している。
配線（３）（４）に印加する電圧を変化させると、水晶に電圧が生じた。また、左水晶に発生する測定電圧値Ｖyxと、Ｐｔ層に印加する電圧とは比例定数がマイナスの比例関係にあった。このように電圧値Ｖyxの変化傾向は、第１キラリティ検出実験及びキラリティ判別実験と同様であった。
【００６１】
図２３（ａ）に右水晶を用いて作製した装置Ｆの写真を示す。右水晶の両端には電圧検出用電極である配線（１）（２）を設けている。配線（１）（２）の間にＰｔ層を設け、Ｐｔ層の両端に配線（３）（４）を接続した。このＰｔ層は第１キラリティ検出実験ではスピン検出層として機能したが、逆効果を用いる場合は、電圧印加用電極として機能する。
配線（３）（４）を用いてＰｔ層に印加する電圧（パルス電圧）を変化させて配線（１）（２）間の電圧Ｖyx（水晶のx方向の電圧）を測定した。
Pt層を流れる電流が配線（３）から配線（４）へ流れるときの電流値をプラスとし、電流が配線（４）から配線（３）へ流れるときの電流値をマイナスとした。電圧Ｖyxは、配線（１）の電位（Pt層にプラスの電流が流れる方向を向いて右側）が配線（２）の電位（Pt層にプラス電流が流れる方向を向いて左側）よりも高いときにプラスの電圧とした。
【００６２】
右水晶のx方向の測定電圧値Ｖyxの変化を示すグラフを図２３（ｂ）に示す。図２３（ｂ）ではPt層に印加する電圧を電流値Ｉ（ｍＡ）で示している。
配線（３）（４）に印加する電圧を変化させると、水晶に起電力が生じた。また、右水晶に発生する測定電圧値Ｖyxと、Pt層に印加する電圧とは比例定数がプラスの比例関係にあった。このように電圧値Ｖyxの変化傾向は、第１キラリティ検出実験及びキラリティ判別実験と同様であった。
【００６３】
装置Ｅと装置Ｆにおける実験結果から、キラル物質に生じる電圧の向きを調べることにより、絶縁体であるキラル物質層が右手系か左手系かであるかを判別することができることがわかった。
絶縁体であるキラル物質層を用いた装置Ｅと装置Ｆのキラル物質に電圧が生じる理由は、次のように考えられる。Pt層に電圧を印加した場合、スピンホール効果によりスピン流がPt層からキラル物質に注入され、キラル物質にスピン偏極が生じる。このキラル物質のスピン偏極は、キラリティ誘起スピン選択性（ＣＩＳＳ）効果の逆効果により、キラル物質中に電圧を生じさせると考えられる。
【００６４】
スピントランジスタ動作実験
図２４（ａ）にNbSi2バルク多結晶を用いて作製した装置Ｇの写真を示す。NbSi2（Ｐ６4２２（Ｄ64））は右巻きらせんの原子配列を有する結晶構造を有する。NbSi2多結晶中のらせん軸の向きはバラバラである（無配向試料）。図８に示す装置を模して、NbSi2バルク多結晶の両端には電圧印加用電極である配線（１）（２）（５）（６）を設けている。配線（１）（５）と配線（６）（２）の組合せが両側の電圧印加用電極対として機能する。中央側に位置する配線（５）と配線（６）の間にはＰｔ層を設け、その両端に配線（３）（４）を接続した。
【００６５】
バイアス電流Ｉbとして、装置Ｇの配線（６）（２）の間に印加する電圧を調整して、NbSi2に流れる電流値（（６）→（２））を固定する。バイアス電流一定の条件の下で、配線（１）（５）の間に印加する電圧を変化させてNbSi2に流れる電流（（１）→（５））を−２０ｍＡから２０ｍＡに変化させる。その際、配線（３）（４）間のＰｔ層に発生する電圧Ｖxy（NbSi2多結晶のｙ方向の電圧）を測定した。
NbSi2多結晶を流れる電流が配線（１）から配線（５）、また、配線（６）から配線（２）へ流れるときの電流値をプラスとし、電流が配線（５）から配線（１）、また、配線（２）から配線（６）へ流れるときの電流値をマイナスとした。電圧Ｖxyは配線（３）の電位（NbSi2にプラスの電流が流れる方向を向いて右側）が配線（４）の電位（NbSi2にプラス電流が流れる方向を向いて左側）よりも高いときにプラスの電圧とした。
【００６６】
測定電圧値Ｖxyを示すグラフを図２４（ｂ）に示す。NbSi2の右側領域である配線（１）（５）の間に流れる電流に応じて、電圧値Ｖxyが変化する様子がわかる。変化率はプラス領域の方が大きく、非線形な振舞いを示している。また、バイアス電流を−３ｍＡ、０mA、＋３ｍＡと変化させると、電圧Ｖxy曲線は縦方向に平行移動する。
バイアス電流０mAでの電圧Ｖxy曲線を基準として、基準からの変化量を図２４（ｃ）に示す。電圧Ｖxyが配線（１）（５）の間に流れる電流に応じて線形に変化することがわかる。
【００６７】
従って、キラル物質層に複数の電圧印加用電極対を設けた装置Ｇでは、電圧印加用電極対に加える電圧の大きさ、つまり、電極間に流れる電流の大きさを調整すると、スピン検出層であるPt層に発生する電圧の大きさが変化することがわかった。特に、バイアス電流の符号を変えると測定電圧値Ｖxyの符号が変化する様子が見出された。つまり、バイアス電流を調整することで原点を通る電圧応答を得ることが可能である。この状況下ではスピン検出層に出力される電圧の大きさを電極間に流れる電流の大きさを用いて変調することができる。これらの振舞いは図１３に模式的に示したスピントランジスタ動作に対応している。
【符号の説明】
【００６８】
２：キラル物質層    ３、３ａ〜３ｆ： 第１電圧印加用電極    ４、４ａ〜４ｆ：第２電圧印加用電極    ５、５ａ〜５ｅ：スピン検出層    ６、６ａ〜６ｆ：入力部    ７：出力部    ８：電圧検出用電極    ２０：キラル物質装置
【図１】
2020188202.tif 000003
【図２】
2020188202.tif 000004
【図３】
2020188202.tif 000005
【図４】
2020188202.tif 000006
【図５】
2020188202.tif 000007
【図６】
2020188202.tif 000008
【図７】
2020188202.tif 000009
【図８】
2020188202.tif 000010
【図９】
2020188202.tif 000011
【図１０】
2020188202.tif 000012
【図１１】
2020188202.tif 000013
【図１２】
2020188202.tif 000014
【図１３】
2020188202.tif 000015
【図１４】
2020188202.tif 000016
【図１５】
2020188202.tif 000017
【図１６】
2020188202.tif 000018
【図１７】
2020188202.tif 000019
【図１８】
2020188202.tif 000020
【図１９】
2020188202.tif 000021
【図２０】
2020188202.tif 000022
【図２１】
2020188202.tif 000023
【図２２】
2020188202.tif 000024
【図２３】
2020188202.tif 000025
【図２４】
2020188202.tif 000026