(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定材料に非磁性導体が接合されて構成される素子の両端に電圧を印加して前記被測定材料から前記非磁性導体にスピン偏極電流を注入し、前記非磁性導体における前記スピン偏極電流の進行方向に平行な縦方向電圧、及び前記スピン偏極電流の進行方向に垂直な横方向電圧を測定し、前記縦方向電圧を前記スピン偏極電流の電流値で割った値から前記スピン偏極電流の進行方向に沿う縦方向における前記非磁性導体の縦抵抗を測定し、前記横方向電圧を前記スピン偏極電流の電流値で割った値から前記スピン偏極電流の進行方向に直交する横方向における前記非磁性導体の横抵抗を測定し、測定した前記縦抵抗及び前記横抵抗から前記非磁性導体の横抵抗率の縦抵抗率に対する縦横抵抗率比を求め、前記縦横抵抗率比と前記非磁性導体におけるキャリアのスピン偏極度とが、前記非磁性導体におけるキャリアの移動度とスピン軌道相互作用の強さとの積を比例係数とする比例関係にあることに基づいて、前記縦横抵抗率比から前記被測定材料のスピン偏極度の相対値を評価するスピン偏極度測定方法。
【請求項２】
スピン偏極度が０％のときの前記縦抵抗率の、スピン偏極度が１００％のときの前記縦抵抗率に対する比から１を減算した減算値で、或るスピン偏極度における前記縦横抵抗率比の二乗値を割った値がそのスピン偏極度の二乗値に等しい関係に基づいて、前記被測定材料のスピン偏極度の絶対値を評価することを特徴とする請求項１に記載のスピン偏極度測定方法。
【請求項３】
導電性を有する被測定材料に非磁性導体が接合されたメータ本体と、前記メータ本体の両端に電圧を印加して前記被測定材料から前記非磁性導体に注入されたスピン偏極電流の進行方向に平行な縦方向電圧を測定する第１の電圧測定手段と、前記スピン偏極電流の進行方向に垂直な横方向電圧を測定する第２の電圧測定手段とから構成され、
前記第１の電圧測定手段で測定された前記縦方向電圧を前記スピン偏極電流の電流値で割った値から前記スピン偏極電流の進行方向に沿う縦方向における前記非磁性導体の縦抵抗を測定し、前記第２の電圧測定手段で測定された前記横方向電圧を前記スピン偏極電流の電流値で割った値から前記スピン偏極電流の進行方向に直交する横方向における前記非磁性導体の横抵抗を測定し、測定した前記縦抵抗及び前記横抵抗から前記非磁性導体の横抵抗率の縦抵抗率に対する縦横抵抗率比を求め、スピン偏極度が０％のときの前記縦抵抗率の、スピン偏極度が１００％のときの前記縦抵抗率に対する比から１を減算した減算値で、或るスピン偏極度における前記縦横抵抗率比の二乗値を割った値がそのスピン偏極度の二乗値に等しい関係に基づいて、前記縦横抵抗率比から前記非磁性導体のスピン偏極度の絶対値を評価するスピン偏極度測定メータ。
【請求項４】
導電性を有する第１の導電材料に第１の非磁性導体が接合された第１のメータ本体、第１の前記メータ本体の両端に電圧を印加して第１の前記導電材料から第１の前記非磁性導体に注入された第１のスピン偏極電流の進行方向に平行な縦方向電圧を測定する第１の電圧測定手段、及び、第１の前記スピン偏極電流の進行方向に垂直な横方向電圧を測定する第２の電圧測定手段から構成される第１のスピン偏極度測定メータと、
導電性を有する第２の導電材料に第２の非磁性導体が接合された第２のメータ本体、第２の前記メータ本体の両端に電圧を印加して第２の前記導電材料から第２の前記非磁性導体に注入された第２のスピン偏極電流の進行方向に平行な縦方向電圧を測定する第３の電圧測定手段、及び、第２の前記スピン偏極電流の進行方向に垂直な横方向電圧を測定する第４の電圧測定手段から構成される第２のスピン偏極度測定メータと、
第１の前記スピン偏極電流が流出する前記第１の非磁性導体の端部及び第２の前記スピン偏極電流が流出する前記第２の非磁性導体の端部が一端部に接合された、またはこれらの接合部分を無くして前記第１の非磁性導体及び前記第２の非磁性導体と一体成形された第３の非磁性導体からなる第３のメータ本体、第１の前記非磁性導体及び第２の前記非磁性導体から第３の前記非磁性導体に流入する第１の前記スピン偏極電流及び第２の前記スピン偏極電流が合成して形成される第３のスピン偏極電流の進行方向に平行な縦方向電圧を測定する第５の電圧測定手段、及び、第３の前記スピン偏極電流の進行方向に垂直な横方向電圧を測定する第６の電圧測定手段から構成される第３のスピン偏極度測定メータと
を備えて構成され、
第１の前記スピン偏極電流のキャリアのスピン偏極度及び第２の前記スピン偏極電流のキャリアのスピン偏極度を入力値、第３の前記スピン偏極電流のキャリアのスピン偏極度を出力値とする論理演算ゲート。
【請求項５】
第１の前記メータ本体及び第２の前記メータ本体の一方に送信信号列、他方に乱数列を入力して第３の前記メータ本体から出力される信号列を暗号列として送信し、前記論理演算ゲートの演算論理に基づいて前記乱数列と受信した前記暗号列とから前記送信信号列を復号する、請求項４に記載の論理演算ゲートを用いた信号暗号化及び復号化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定材料におけるキャリアのスピン偏極度を測定するスピン偏極度測定方法、及びスピン偏極度測定メータ、並びにこのスピン偏極度測定メータを用いた論理演算ゲート及び信号暗号化復号化方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体中におけるキャリアのスピン偏極度測定方法には、主に、特許文献１及び非特許文献１に開示されたスピン偏極トンネリング効果を用いる方法と、非特許文献２に開示されたアンドレーフ反射を利用する方法の２種類がある。
【０００３】
前者のスピン偏極トンネリング効果を用いる方法では、絶縁層を介して強磁性層を積層した、第１の強磁性層／絶縁層／第２の強磁性層という３層構造の磁気抵抗効果素子を使う。そして、第１及び第２の強磁性層間に現れるスピン偏極トンネリング効果を利用する。スピン偏極トンネリング効果における磁気抵抗変化率は、第１の強磁性層と第２の強磁性層の伝導電子スピン偏極度をそれぞれＰ１、Ｐ２とすると、大まかに両者の積の２倍、すなわち２Ｐ１×Ｐ２と表される。従って、スピン偏極度Ｐ１が明確である第１の強磁性層を使用し、磁気抵抗変化率を測定することにより、第２の強磁性層のスピン偏極度Ｐ２を求めることが出来る。この方法は、実際の磁気抵抗効果素子の製造に必要な情報が直接得られるという利点を有している。
【０００４】
また、後者のアンドレーフ反射を利用する方法では、被測定材料に超伝導体を接合しておく。そして、被測定材料から超伝導体への入射電子がクーパー対を生成する際に、正孔が被測定材料へ反射されるという現象を利用して、スピン偏極度を測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−６４４７６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】R.Meservey and O.M.Tedrow, Phys. Rep. 238巻(1994年), 173頁
【非特許文献２】M.J.M. de Jong and C.W.J.Beenakker, Phys. Rev. Lett. 74巻 (1995年), 1657頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来のスピン偏極トンネリング効果を用いて第２の強磁性層のスピン偏極度Ｐ２を測定するには、予め第１の強磁性層のスピン偏極度Ｐ１を決定しておく必要がある。さらに、被測定材料は強磁性体に限られる。また、キャリアは２種類の磁性層を通過するので、強磁性層の局在スピンとの相互作用によってキャリヤのスピン状態が変化し、ひいては、キャリアのスピン偏極度はこの測定によって変化してしまう。このように、従来のスピン偏極トンネリング効果を用いた方法では、磁気抵抗変化の測定中にキャリアのスピン偏極度の値が変化しないことが保証できない。さらに、測定の原理上、大がかりな走査型トンネル電子顕微鏡（ＳＴＭ）技術を必要とするため、スピン偏極度の測定を簡便に行ってその測定結果を新たな回路素子へ応用することは困難である。
【０００８】
また、上記従来のアンドレーフ反射を利用してスピン偏極度を測定するには、被測定材料全体を超伝導状態に達するまで冷却する必要がある。さらに、被測定材料のフェルミ準位が電子に占有されている必要があるため、被測定材料は金属に限られる。
【０００９】
このように従来のスピン偏極度を測定する方法は、被測定材料の材質及び測定温度に制約があり、例えば、半導体のスピン偏極度を室温下で測定するのは大変困難である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、被測定材料に非磁性導体が接合されて構成される素子の両端に電圧を印加して被測定材料から非磁性導体にスピン偏極電流を注入し、非磁性導体におけるスピン偏極電流の進行方向に平行な縦方向電圧、及びスピン偏極電流の進行方向に垂直な横方向電圧を測定し、縦方向電圧をスピン偏極電流の電流値で割った値からスピン偏極電流の進行方向に沿う縦方向における非磁性導体の縦抵抗を測定し、横方向電圧をスピン偏極電流の電流値で割った値からスピン偏極電流の進行方向に直交する横方向における非磁性導体の横抵抗を測定し、測定した縦抵抗及び横抵抗から非磁性導体の横抵抗率の縦抵抗率に対する縦横抵抗率比を求め、縦横抵抗率比と非磁性導体におけるキャリアのスピン偏極度とが、非磁性導体におけるキャリアの移動度とスピン軌道相互作用の強さとの積を比例係数とする比例関係にあることに基づいて、縦横抵抗率比から被測定材料のスピン偏極度の相対値を評価するスピン偏極度測定方法を構成した。
【００１１】
本構成によれば、被測定材料から非磁性導体に注入したスピン偏極電流の進行方向に対して平行及び垂直な縦方向電圧及び横方向電圧を測定し、測定した各電圧値を注入したスピン偏極電流の電流値で割ることで、縦抵抗及び横抵抗の値を求めることが出来る。そして、測定した縦抵抗及び横抵抗から非磁性導体の縦横抵抗率比を求めることで、縦横抵抗率比と非磁性導体におけるキャリアのスピン偏極度とが比例関係にあることに基づいて、縦横抵抗率比から被測定材料のスピン偏極度の相対値を評価することが出来る。また、キャリアの走行状態に摂動を加えずにスピン偏極度の評価を行うことが可能になる。
【００１２】
このため、従来のスピン偏極トンネリング効果を用いたスピン偏極度測定方法のように被測定材料が強磁性体に限られることはなく、また、従来のアンドレーフ反射を利用したスピン偏極度測定方法のように被測定材料が金属に限られることはなく、被測定材料は導電性を持ちさえすれば、非磁性導体の横抵抗と縦抵抗を測定するだけで、金属か半導体かに依らず、被測定材料におけるキャリアのスピン偏極度を評価することが可能になる。しかも、従来のアンドレーフ反射を利用したスピン偏極度測定方法のように、被測定材料全体を超伝導状態に達するまで冷却する必要もなく、任意の測定周囲温度で、キャリアのスピン偏極度を評価することが可能になる。また、キャリアが２種類の強磁性層を通過する従来のスピン偏極トンネリング効果を用いた測定方法とは異なり、測定中にキャリアのスピン偏極度の値が変化しないことが保証される。さらに、大がかりなＳＴＭ技術を必要としないため、スピン偏極度の測定を簡便に行ってその測定結果を論理ゲートのような新たな回路素子へ応用することが可能になる。
【００１３】
また、本発明は、スピン偏極度が０％のときの縦抵抗率の、スピン偏極度が１００％のときの縦抵抗率に対する比から１を減算した減算値で、或るスピン偏極度における縦横抵抗率比の二乗値を割った値がそのスピン偏極度の二乗値に等しい関係に基づいて、被測定材料のスピン偏極度の絶対値を評価することを特徴とする。
【００１４】
本構成によれば、非磁性導体の縦横抵抗率比に加えて、スピン偏極度が０％および１００％の電流を非磁性導体に注入したときの各縦抵抗率を測定することで、これら各特性値の予め導かれている上記関係に基づいて、被測定材料のスピン偏極度の絶対値を評価することが出来る。このため、従来のスピン偏極トンネリング効果を用いたスピン偏極度測定方法のように、２種類の強磁性層のうちの一方の強磁性層のスピン偏極度を予め決定しておく必要もなく、簡易にスピン偏極度の絶対値を評価することが出来る。
【００１７】
また、本発明は、導電性を有する被測定材料に非磁性導体が接合されたメータ本体と、メータ本体の両端に電圧を印加して被測定材料から非磁性導体に注入されたスピン偏極電流の進行方向に平行な縦方向電圧を測定する第１の電圧測定手段と、スピン偏極電流の進行方向に垂直な横方向電圧を測定する第２の電圧測定手段とから構成され、
第１の電圧測定手段で測定された縦方向電圧をスピン偏極電流の電流値で割った値からスピン偏極電流の進行方向に沿う縦方向における非磁性導体の縦抵抗を測定し、第２の電圧測定手段で測定された横方向電圧をスピン偏極電流の電流値で割った値からスピン偏極電流の進行方向に直交する横方向における非磁性導体の横抵抗を測定し、測定した縦抵抗及び横抵抗から非磁性導体の横抵抗率の縦抵抗率に対する縦横抵抗率比を求め、スピン偏極度が０％のときの縦抵抗率の、スピン偏極度が１００％のときの縦抵抗率に対する比から１を減算した減算値で、或るスピン偏極度における縦横抵抗率比の二乗値を割った値がそのスピン偏極度の二乗値に等しい関係に基づいて、縦横抵抗率比から非磁性導体のスピン偏極度の絶対値を評価するスピン偏極度測定メータを構成した。
【００１８】
本構成によれば、メータ本体の両端に電圧を印加してメータ本体における被測定材料から非磁性導体にスピン偏極電流を注入し、注入したスピン偏極電流の進行方向に平行及び垂直な縦方向及び横方向電圧を第１及び第２の電圧測定手段で測定することで、縦抵抗及び横抵抗の値を求めることが出来る。このため、キャリアの走行状態に摂動を加えずにスピン偏極度の評価を簡便に行うことが可能なスピン偏極度測定メータが提供される。
【００１９】
また、本発明は、
導電性を有する第１の導電材料に第１の非磁性導体が接合された第１のメータ本体、第１のメータ本体の両端に電圧を印加して第１の導電材料から第１の非磁性導体に注入された第１のスピン偏極電流の進行方向に平行な縦方向電圧を測定する第１の電圧測定手段、及び、第１のスピン偏極電流の進行方向に垂直な横方向電圧を測定する第２の電圧測定手段から構成される第１のスピン偏極度測定メータと、
導電性を有する第２の導電材料に第２の非磁性導体が接合された第２のメータ本体、第２のメータ本体の両端に電圧を印加して第２の導電材料から第２の非磁性導体に注入された第２のスピン偏極電流の進行方向に平行な縦方向電圧を測定する第３の電圧測定手段、及び、第２のスピン偏極電流の進行方向に垂直な横方向電圧を測定する第４の電圧測定手段から構成される第２のスピン偏極度測定メータと、
第１のスピン偏極電流が流出する第１の非磁性導体の端部及び第２のスピン偏極電流が流出する第２の非磁性導体の端部が一端部に接合された、またはこれらの接合部分を無くして第１の非磁性導体及び第２の非磁性導体と一体成形された第３の非磁性導体からなる第３のメータ本体、第１の非磁性導体及び第２の非磁性導体から第３の非磁性導体に流入する第１のスピン偏極電流及び第２のスピン偏極電流が合成して形成される第３のスピン偏極電流の進行方向に平行な縦方向電圧を測定する第５の電圧測定手段、及び、第３のスピン偏極電流の進行方向に垂直な横方向電圧を測定する第６の電圧測定手段から構成される第３のスピン偏極度測定メータと
を備えて構成され、
第１のスピン偏極電流のキャリアのスピン偏極度及び第２のスピン偏極電流のキャリアのスピン偏極度を入力値、第３のスピン偏極電流のキャリアのスピン偏極度を出力値とする論理演算ゲートを構成した。
【００２０】
本構成によれば、第１のメータ本体及び第２のメータ本体にそれぞれスピン偏極度が１００％の第１のスピン偏極電流及び第２のスピン偏極電流を注入すると、第３のメータ本体にはスピン偏極度が１００％の第３のスピン偏極電流が流れる。また、第１のメータ本体及び第２のメータ本体にそれぞれスピン偏極度が１００％の第１のスピン偏極電流及びスピン偏極度が−１００％の第２のスピン偏極電流を注入すると、第３のメータ本体にはスピン偏極度が０％の第３のスピン偏極電流が流れる。また、第１のメータ本体及び第２のメータ本体にそれぞれスピン偏極度が−１００％の第１のスピン偏極電流及びスピン偏極度が１００％の第２のスピン偏極電流を注入すると、第３のメータ本体にはスピン偏極度が０％の第３のスピン偏極電流が流れる。また、第１のメータ本体及び第２のメータ本体にそれぞれスピン偏極度が−１００％の第１のスピン偏極電流及び第２のスピン偏極電流を注入すると、第３のメータ本体にはスピン偏極度が−１００％の第３のスピン偏極電流が流れる。
【００２１】
このため、第１のスピン偏極電流のキャリアのスピン偏極度及び第２のスピン偏極電流のキャリアのスピン偏極度を入力値、第３のスピン偏極電流のキャリアのスピン偏極度を出力値とすると、出力値及び一方の入力値が分かると、他方の入力値が一義的に推測される。ここで、各入力値及び出力値は、第１〜第３の各メータ本体を流れる第１〜第３の各スピン偏極電流の進行方向に平行な縦方向電圧及びこれに垂直な横方向電圧を第１〜第６の各電圧測定手段で測定し、縦抵抗及び横抵抗を求めてスピン偏極度を算出することで、得られる。出力値及び一方の入力値から他方の入力値が一義的に推測されるこのような論理関係は、排他的論理和の論理演算ゲートにおける入力値及び出力値の論理関係に類似する。従って、本構成により擬似排他的な論理和を演算する擬似排他的論理演算ゲートが提供される。
【００２２】
また、本発明は、第１のメータ本体及び第２のメータ本体の一方に送信信号列、他方に乱数列を入力して第３のメータ本体から出力される信号列を暗号列として送信し、上記の論理演算ゲートの演算論理に基づいて乱数列と受信した暗号列とから送信信号列を復号する、上記の論理演算ゲートを用いた信号暗号化及び復号化方法を構成した。
【００２３】
本構成によれば、第１のメータ本体に入力される送信信号列と第２のメータ本体に入力される乱数列とは、上記の論理演算ゲートによって上述した擬似排他的な論理和がとられ、その論理演算結果が暗号列として第３のメータ本体から出力され、送信される。上記の論理演算ゲートは、出力値である暗号列及び一方の入力値である乱数列から他方の入力値である入力信号列が一義的に推測されるので、受信側では、乱数列と受信した暗号列とから、上記の論理演算ゲートの演算論理に基づいて、送信した信号列を復号化することが出来る。
【００２４】
このため、上記の論理演算ゲートを用いることで、送信信号列を暗号列に暗号化することが出来、暗号列を送信信号列に復号化することが出来る新たな信号暗号化及び復号化方法が提供される。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、上記のように、被測定材料の材質及び測定温度に制約を受けること無く、被測定材料におけるキャリアのスピン偏極度を簡便に測定することが出来るスピン偏極度測定方法、及びスピン偏極度測定メータが提供される。このため、例えば、半導体のスピン偏極度を室温下で測定することが可能になる。また、このスピン偏極度測定メータを用いることで、擬似排他的な論理和を演算する論理演算ゲートが提供され、さらに、この論理演算ゲートを用いることで、新たな信号暗号化及び復号化方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】（ａ）は、伝導電子のスピン偏極度Ｐｓが１００％のときにおける既知の異常ホール効果、（ｂ）は、スピン偏極度Ｐｓが０％のときにおける既知の異常ホール効果（スピンホール効果）を説明するための図である。
【図２】本発明の一実施の形態によるスピン偏極度測定方法の原理に用いられている、スピン偏極度測定メータのチャネル領域における縦抵抗ρｘｘと横抵抗ρｙｘがともにキャリアのスピン偏極度Ｐｓに依存する関係を説明するための表図である。
【図３】本発明の一実施の形態によるスピン偏極度測定メータの概略構成を示す斜視図である。
【図４】（ａ）は、図３に示すスピン偏極度測定メータの較正に用いられる較正器の概略構成を示す斜視図、（ｂ）はこの較正器で得られた較正グラフである。
【図５】図３に示すスピン偏極度測定メータを用いた本発明の一実施の形態による演算論理ゲートの概略構成を示す斜視図である。
【図６】（ａ）は図５に示す擬似ＸＯＲ演算論理ゲートの真理値表、（ｂ）は一般的なＸＯＲ演算論理ゲートの真理値表を示す表図である。
【図７】一般的なＸＯＲ演算論理ゲートをバイポーラ・トランジスタで構成した一例の回路図である。
【図８】図５に示す演算論理ゲートを用いた本発明の一実施の形態による信号暗号化及び復号化方法における送信側及び受信側の各信号列の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
次に、被測定材料におけるキャリアのスピン偏極度を測定する本発明によるスピン偏極度測定方法の一実施の形態について説明する。
【００２８】
本実施の形態によるスピン偏極度測定方法は、次の（１）式に表される原理に基づいている。
【数１】
0005880937.tif 000002
【００２９】
ここで、ρｘｘは、導電性を有する被測定材料に接合された非磁性チャネル領域に注入されたスピン偏極電流進行方向に沿う縦方向におけるチャネル領域の縦抵抗率、ρｙｘは、電流進行方向に直交する横方向におけるチャネル領域の横抵抗率である。また、μはキャリアである伝導電子の移動度であり、電子の電荷量及び質量をそれぞれｑ及びｍ、電子の散乱緩和時間をτとすると、μ＝ｑτ／ｍと表される。また、Ｓはスピン軌道相互作用の強さ、Ｐｓはスピン偏極度である。スピン偏極度Ｐｓは、次の（２）式によって定義される。
【数２】
0005880937.tif 000003
【００３０】
ここで、ｎαはチャネル領域におけるスピンアップ電子の電子密度、ｎβはスピンダウン電子の電子密度である。
【００３１】
上記の（１）式は、横抵抗率ρｙｘの縦抵抗率ρｘｘに対する縦横抵抗率比ρｙｘ／ρｘｘとチャネル領域におけるキャリアのスピン偏極度Ｐｓとが、チャネル領域におけるキャリアの移動度μとスピン軌道相互作用の強さＳとの積μＳを比例係数とする比例関係にあることを表している。ここで、積μＳはスピン偏極度Ｐｓの検出感度を与える。
【００３２】
本実施の形態によるスピン偏極度測定方法では、上記の縦抵抗率ρｘｘ及び横抵抗率ρｙｘを測定する。そして、測定した横抵抗率ρｙｘの縦抵抗率ρｘｘに対する縦横抵抗率比ρｙｘ／ρｘｘとスピン偏極度Ｐｓとが（１）式で表される比例関係にある上述の原理に基づいて、被測定材料におけるスピン偏極度Ｐｓの相対値を評価する。移動度μとスピン軌道相互作用の強さＳとはスピン偏極度Ｐｓに依存しない量であるため、このようなスピン偏極度Ｐｓの相対値測定が可能になっている。
【００３３】
ここで（１）式が成立する理由を直感的方法にもとづいて説明する。図１（ａ）に示すように、ｚ方向のスピン磁気モーメントｍを有する伝導電子１のスピン偏極度Ｐｓを１００％にして、つまり、全ての伝導電子１のスピンをアップにして、チャネル領域δにｘ方向にバイアス電流Ｉを流すとき、伝導電子１の軌道はスピン軌道相互作用による力ｆＳＯＩよって同一の−ｙ方向に反れる。このため、チャネル領域δの内部に電荷の偏りが生じ、異常ホール効果によってホール電場ＥＨが発生して、伝導電子１にはホール電気力ｆＨａｌｌがｙ方向に作用する。定常状態では、伝導電子１に作用するホール電気力ｆＨａｌｌとスピン軌道相互作用力ｆＳＯＩとが釣り合う。従って、伝導電子１にスピン軌道相互作用が作用しても、伝導電子１の直進性を妨げる要因は実質的に消失し、伝導電子１のドリフト速度はバイアス電流Ｉの進行方向の縦成分のみが残る。このことは、縦抵抗率ρｘｘがスピン軌道相互作用に影響されないことを意味する。
【００３４】
一方、図１（ｂ）に示すように、伝導電子１のスピン偏極度Ｐｓを０％にして、チャネル領域δにｘ方向にバイアス電流Ｉを流すとき、チャネル領域δの内部に電荷の偏りは生じない。このとき、ｚ方向のスピン磁気モーメントｍを有するスピンアップした伝導電子１αと、−ｚ方向のスピン磁気モーメント−ｍを有するスピンダウンした伝導電子１βの各電子密度は等しい。電荷の偏りを生じないのは、スピン軌道相互作用による伝導電子１の軌道偏向の向きが、スピンアップした伝導電子１αに対しては−ｙ方向に力ｆＳＯＩが作用し、スピンダウンした伝導電子１βに対してはｙ方向の逆向きに力ｆＳＯＩが作用するからである。このため、伝導電子１のスピン偏極度Ｐｓが０％のときは１００％のときのようにホール電場ＥＨは発生せず、ホール抵抗である横抵抗率ρｙｘはゼロである。従って、定常状態でもスピン軌道相互作用の影響が残り、縦抵抗率ρｘｘはスピン偏極度Ｐｓが１００％のときよりも大きい。
【００３５】
以上のことから、縦抵抗率ρｘｘと横抵抗率ρｙｘはともにキャリアのスピン偏極度Ｐｓに依存し、図２に示すように、横抵抗率ρｙｘは、スピン偏極度Ｐｓが１００％のときに最大値、スピン偏極度Ｐｓが０％のときに最小のゼロ、縦抵抗率ρｘｘは、スピン偏極度Ｐｓが１００％のときに最小値、スピン偏極度Ｐｓが０％のときに最大値を示すことが容易に推定できる。従って、横抵抗率ρｙｘの縦抵抗率ρｘｘに対する縦横抵抗率比ρｙｘ／ρｘｘはスピン偏極度Ｐｓに敏感であることが理解され、この縦横抵抗率比ρｙｘ／ρｘｘからスピン偏極度Ｐｓを正確に評価できることが予測される。
【００３６】
このたび、発明者は、スピン２流体モデル（A.Fert and I.A. Campbell, Phys. Rev. Lett. 14 (1968) 1190）を使う微視的なモデルに依存しない現象論によって、縦抵抗率ρｘｘ及び横抵抗率ρｙｘに対するスピン偏極度Ｐｓの影響を解析的に計算することにより、任意のスピン偏極度Ｐｓにおける縦抵抗率ρｘｘと横抵抗率ρｙｘとの比の表式を（１）式のように定量的に求めることに成功した。
【００３７】
すなわち、横方向と縦方向でキャリアの同じ散乱過程が同時に存在する場合には、摩擦項がテンソル形式で表現できるので、ドルーデの式は電界Ｅ及び磁界Ｂの存在のもとで次の（３）式のように変形出来る。
【数３】
0005880937.tif 000004
【００３８】
ここで、ｍ及びｑはキャリアの質量及び電荷量、ｖはキャリアのドリフト速度である。また、Ｓはテンソル量で、τ‖を縦方向のキャリアの散乱緩和時間とすると、Ｓは次の（４）式によって定義される。
【数４】
0005880937.tif 000005
【００３９】
定常状態ではｄｖ／ｄｔ＝０であり、また、磁界Ｂがｚ方向に平行とすると、スピンアップした電子の電気伝導度σα、及びスピンダウンした電子の電気伝導度σβは、それぞれ次の（５）式及び（６）式のように表される。
【数５】
0005880937.tif 000006
【数６】
0005880937.tif 000007
【００４０】
また、全体の電気伝導度σは次の（７）式に表される。
【数７】
0005880937.tif 000008
【００４１】
また、一般に、縦抵抗率ρｘｘ及び横抵抗率ρｙｘは電気伝導度の各テンソル成分を用いてそれぞれ次の（８）式及び（９）式に表される。
【数８】
0005880937.tif 000009
【数９】
0005880937.tif 000010
【００４２】
このため、（８）式及び（９）式におけるσｘｘ及びσｘｙは、（５）式、（６）式、及び（７）式から、それぞれ次の（１０）式及び（１１）式のように表される。
【数１０】
0005880937.tif 000011
【数１１】
0005880937.tif 000012
【００４３】
この結果、縦抵抗率ρｘｘ及び横抵抗率ρｙｘは、平静時の電気伝導度σα、σβをσα，０＝ｎαｑ２τ‖／ｍ＝ｑｎαμ、σβ，０＝ｎβｑ２τ‖／ｍ＝ｑｎβμとすると、それぞれ次の（１２）式及び（１３）式に表される。
【数１２】
0005880937.tif 000013
【数１３】
0005880937.tif 000014
【００４４】
ここで、本実施の形態のスピン偏極度測定方法では、磁界Ｂを印加せず、Ｂ＝０なので、（１２）式及び（１３）式中のＢを０とすると、縦抵抗率ρｘｘ及び横抵抗率ρｙｘはそれぞれ次の（１４）式及び（１５）式に表される。
【数１４】
0005880937.tif 000015
【数１５】
0005880937.tif 000016
【００４５】
前述した（１）式は、上記の（１５）式を（１４）式で割ることで導かれ、（１）式で表される原理によってスピン偏極度Ｐｓの相対値測定が前述したように可能になっている。
【００４６】
また、スピン偏極度Ｐｓが０％のときの縦抵抗率ρｘｘ（Ｐｓ＝０）は、（１２）式中のＰｓ＝０と置くことで、次の（１６）式で表される。
【数１６】
0005880937.tif 000017
【００４７】
また、スピン偏極度Ｐｓが１００％のときの縦抵抗率ρｘｘ（Ｐｓ＝１）は、（１２）式中のＰｓ＝１と置くことで、次の（１７）式で表される。
【数１７】
0005880937.tif 000018
【００４８】
従って、（１４）式から以下の（１８）式を次のように導くことが出来る。
【数１８】
0005880937.tif 000019
【００４９】
また、（１）式から次の（１９）式が導かれる。
【数１９】
0005880937.tif 000020
【００５０】
このため、上記の（１９）式に（１８）式を代入すると、次の（２０）式が得られる。
【数２０】
0005880937.tif 000021
【００５１】
この（２０）式は、スピン偏極度Ｐｓが０％のときの縦抵抗率ρｘｘ（Ｐｓ＝０）の、スピン偏極度Ｐｓが１００％のときの縦抵抗率ρｘｘ（Ｐｓ＝１）に対する比から１を減算した減算値で、或るスピン偏極度Ｐｓにおける縦横抵抗率比ρｙｘ／ρｘｘの二乗値を割った値が、そのスピン偏極度Ｐｓの二乗値に等しい関係にあることを、表す。本実施の形態のスピン偏極度測定方法では、この関係に基づいて、被測定材料のスピン偏極度Ｐｓの絶対値を評価する。
【００５２】
スピン偏極度Ｐｓが０％の電流を非磁性チャネル領域δに注入したときの縦抵抗率ρｘｘ（Ｐｓ＝０）は実測可能であり、スピン偏極度Ｐｓが１００％のときの電流を非磁性チャネル領域δに注入した縦抵抗率ρｘｘ（Ｐｓ＝１）も原理的に評価可能である。従って、或るスピン偏極度Ｐｓにおける縦横抵抗率比ρｙｘ／ρｘｘとそのスピン偏極度Ｐｓとの比例係数である積μＳは、スピン偏極度Ｐｓが０％及び１００％のときの縦抵抗率ρｘｘ（Ｐｓ＝０）及びρｘｘ（Ｐｓ＝１）から原理上実測できることが理解される。この結果、縦横抵抗率比ρｙｘ／ρｘｘ、縦抵抗率ρｘｘ（Ｐｓ＝０）、及び縦抵抗率ρｘｘ（Ｐｓ＝１）の３種類の測定値を（２０）式に代入することで、上記のように、スピン偏極度Ｐｓの絶対値を評価することが出来る。
【００５３】
縦横抵抗率比ρｙｘ／ρｘｘは、例えば、図３に示すように、被測定材料２に非磁性導体３を接合した素子の両端に電圧を印加して電流Ｉを流し、被測定材料２から非磁性導体３にスピン偏極電流Ｉｓｐｉｎを注入して、測定する。このとき、非磁性導体３のチャネル領域δにおけるスピン偏極電流Ｉｓｐｉｎの進行方向に平行な縦方向電界Ｅｘ及びこれに垂直な横方向電界Ｅｙは、スピン偏極電流Ｉｓｐｉｎの縦方向電流密度をｉｘ、横方向電流密度をｉｙとすると、次の（２１）式で表される。
【数２１】
0005880937.tif 000022
【００５４】
この（２１）式で横方向電流密度ｉｙを０（ｉｙ＝０）とすると、縦抵抗率ρｘｘ及び横抵抗率ρｙｘはそれぞれ次の（２２）式に表される。
【数２２】
0005880937.tif 000023
【００５５】
このため、非磁性導体３におけるスピン偏極電流Ｉｓｐｉｎの進行方向に平行な縦方向電圧Ｖｘを電圧計Ｖ１で測定し、縦方向電圧Ｖｘを縦方向電流Ｉｘの電流値で割った値を非磁性導体３の縦抵抗Ｒ‖とする。また、スピン偏極電流Ｉｓｐｉｎの進行方向に垂直な横方向電圧Ｖｙを電圧計Ｖ２で測定し、横方向電圧Ｖｙを縦方向電流Ｉｘの電流値で割った値を非磁性導体３の横抵抗Ｒ⊥とする。そして、横抵抗Ｒ⊥を縦抵抗Ｒ‖で割った値に、非磁性導体３の幅Ｗを乗じて、非磁性導体３の長さＬで割ることで、縦横抵抗率比ρｙｘ／ρｘｘが得られる。
【００５６】
このような本実施の形態のスピン偏極度測定方法によれば、導電性を有する被測定材料２に接合された非磁性導体３のチャネル領域δを流れるスピン偏極電流の進行方向に沿う縦方向の縦抵抗率ρｘｘ、及びこれに直交する横方向の横抵抗率ρｙｘを測定することで、測定した横抵抗率ρｙｘの縦抵抗率ρｘｘに対する縦横抵抗率比ρｙｘ／ρｘｘと非磁性導体３におけるキャリアのスピン偏極度Ｐｓとが比例関係にあることに基づいて、縦横抵抗率比ρｙｘ／ρｘｘから被測定材料２のスピン偏極度Ｐｓの相対値を評価することが出来る。
【００５７】
このときの比例係数は、被測定材料２とチャネル領域δの測定点までの距離が有限なため（１）式における積μＳより小さくなるが、チャネル領域δの材料を変えない限り同じである。つまり、チャネル領域δで観測される縦横抵抗率比ρｙｘ／ρｘｘは、被測定材料２の材料のみに依存するので、被測定材料２のスピン偏極度Ｐｓが相対測定できる。例えば、被測定材料２Ｙについての縦横抵抗率比ρｙｘ／ρｘｘがａ、被測定材料２Ｚについての縦横抵抗率比ρｙｘ／ρｘｘがｂとして得られた場合、ａとｂは一般に異なる値を示すが、その違いはそれぞれの被測定材料２Ｙ、２Ｚのスピン偏極度Ｐｓの違いだけに由来するので、被測定材料２Ｙ、２Ｚのスピン偏極度Ｐｓが相対測定できる。
【００５８】
このため、従来のスピン偏極トンネリング効果を用いたスピン偏極度測定方法のように被測定材料２が強磁性体に限られることはなく、また、従来のアンドレーフ反射を利用したスピン偏極度測定方法のように被測定材料２が金属に限られることはなく、被測定材料２は導電性を持ちさえすれば、被測定材料２に接合された非磁性導体３のチャネル領域δの横抵抗率ρｙｘと縦抵抗率ρｘｘを測定するだけで、金属か半導体かに依らず、被測定材料２のスピン偏極度Ｐｓを評価することが可能になる。しかも、従来のアンドレーフ反射を利用したスピン偏極度測定方法のように、被測定材料全体を超伝導状態に達するまで冷却する必要もなく、任意の測定周囲温度で、キャリアのスピン偏極度Ｐｓを評価することが可能になる。また、キャリアが２種類の強磁性層を通過する従来のスピン偏極トンネリング効果を用いた測定方法と異なり、測定中にキャリアのスピン偏極度Ｐｓの値が変化しないことが保証される。さらに、大がかりなＳＴＭ技術を必要とせず、普通の電流測定と同様な手軽さでスピン偏極度Ｐｓを測定することが出来るため、スピン偏極度Ｐｓの測定を簡便に行ってその測定結果を後述する論理ゲートのような新たな回路素子へ応用することが可能になる。
【００５９】
また、本実施の形態のスピン偏極度測定方法によれば、チャネル領域δの縦横抵抗率比ρｙｘ／ρｘｘに加えて、スピン偏極度Ｐｓが０％及び１００％の電流を非磁性チャネル領域に注入したときの各縦抵抗率ρｘｘ（Ｐｓ＝０）及びρｘｘ（Ｐｓ＝１）を測定することで、これら各特性値の予め導かれている（２０）式の関係に基づいて、チャネル領域δのスピン偏極度Ｐｓの絶対値、ひいては後述する方法によって被測定材料２のスピン偏極度の絶対値を評価することが出来る。このため、従来のスピン偏極トンネリング効果を用いたスピン偏極度測定方法のように、２種類の強磁性層のうちの一方の強磁性層のスピン偏極度Ｐｓを予め決定しておく必要もなく、簡易にスピン偏極度Ｐｓの絶対値を評価することが出来る。
【００６０】
また、本実施の形態のスピン偏極度測定方法によれば、被測定材料２から非磁性導体３に注入したスピン偏極電流Ｉｓｐｉｎの進行方向に対して平行及び垂直な縦方向電圧Ｖｘ及び横方向電圧Ｖｙを測定し、測定した各電圧Ｖｘ，Ｖｙの値を注入したスピン偏極電流Ｉｓｐｉｎの縦方向電流Ｉｘの電流値で割ることで、縦抵抗Ｒ‖及び横抵抗Ｒ⊥の値を求めることが出来る。このため、キャリアの走行状態に摂動を加えずにスピン偏極度Ｐｓの評価を行うことが可能になる。
【００６１】
次に、被測定材料におけるキャリアのスピン偏極度Ｐｓを測定する本発明によるスピン偏極度測定メータの一実施の形態について説明する。
【００６２】
上記の図３は、この一実施の形態によるスピン偏極度測定メータ１１の構成の概略斜視図である。
【００６３】
スピン偏極度測定メータ１１は、導電性を有する被測定材料２に非磁性導体３が接合されたメータ本体１２から構成される。スピン偏極度Ｐｓの測定対象である被測定材料２はスピン偏極源として用いられる。また、非磁性導体３としてはＰｔ、Ｐｄなどの非磁性金属が用いられ、その長さＬａはスピン自然拡散長よりも短く設定される。上述したように、積μＳはスピン偏極度Ｐｓの検出感度を与えるため、スピン偏極度Ｐｓの測定における検出感度を上げるには、高いキャリア移動度μとスピン軌道相互作用の強さＳが大きな材料の非磁性導体３を用いると、有効である。また、スピン偏極度測定メータ１１は、第１の電圧測定手段として電圧計Ｖ１、第２の電圧測定手段として電圧計Ｖ２を備える。
【００６４】
スピン偏極度測定メータ１１の両端に電圧を印加すると、被測定材料２から非磁性導体３にスピン偏極電流Ｉｓｐｉｎが注入される。電圧計Ｖ１は、被測定材料２から距離Ｌａ離れた地点における非磁性導体３の、スピン偏極電流Ｉｓｐｉｎの進行方向に平行な縦方向電圧Ｖｘを測定する。また、電圧計Ｖ２は、非磁性導体３の、スピン偏極電流Ｉｓｐｉｎの進行方向に垂直な横方向電圧Ｖｙを測定する。測定した縦方向電圧Ｖｘ及び横方向電圧Ｖｙをスピン偏極電流Ｉｓｐｉｎの縦方向電流Ｉｘでそれぞれ割った値を被測定材料２に接続した非磁性チャネル領域δの縦抵抗Ｒ‖及び横抵抗Ｒ⊥とし、横抵抗Ｒ⊥を縦抵抗Ｒ‖で割った値に、非磁性導体３の幅Ｗを乗じて、非磁性導体３の長さＬaで割ることで、縦横抵抗率比ρｙｘ／ρｘｘ を求める。そして、求めた縦横抵抗率比ρｙｘ／ρｘｘ 、並びに非磁性導体３にスピン偏極度Ｐｓが０％及び１００％の電流を注入したときの各縦抵抗率ρｘｘ（Ｐｓ＝０）及びρｘｘ（Ｐｓ＝１）の値を（２０）式に代入することで、被測定材料２から距離Ｌａ離れた地点における非磁性導体３のスピン偏極度Ｐｓの絶対値を算出することが出来る。
【００６５】
ここで、スピン偏極度０％の電流を非磁性導体３に注入するためには、被測定材料２の代わりに、非磁性導体３と同じ材料を使い、スピン偏極度１００％の電流を非磁性導体３に注入するためには、被測定材料２の代わりに、ホイスラー合金（ハーフメタル）を用いる。
【００６６】
被測定材料２のスピン偏極度Ｐ’ｓは、スピン偏極度測定メータ１１を用いて上記のように得られた非磁性チャネル領域δのスピン偏極度Ｐｓが図４（ａ）に示す較正器２１を用いて較正されることで、求められる。較正器２１は、被測定材料２に相当するスピン偏極源２ａとして、スピン偏極度Ｐｓが１００％の材料、例えば、ホイスラー合金（ハーフメタル）が使われる。また、非磁性導体３に相当する試料３ａは、非磁性導体３に用いられる材料からなり、同図に示すような、長さＬａよりも充分大きな長さＬｂを有する。
【００６７】
この構成の較正器２１において、較正器２１の両端に電圧を印加して電流Ｉを流し、ソース電極としてのスピン偏極源２ａから試料３ａにスピン偏極電流Ｉｓｐｉｎを注入する。そして、そのときの試料３ａの各長さＬｘ、つまり、スピン偏極源２ａからの各距離Ｌｘにおける縦方向電圧Ｖｘを各電圧計Ｖ１ａ、Ｖ１ｂ及びＶ１ｃによって測定し、横方向電圧Ｖｙを各電圧計Ｖ２ａ、Ｖ２ｂ及びＶ２ｃによって測定することで、試料３ａの各長さＬｘにおける縦抵抗Ｒ‖及び横抵抗Ｒ⊥の各値を測定する。
【００６８】
そして、この測定で得られた縦抵抗Ｒ‖及び横抵抗Ｒ⊥の各値から、チャネル幅と長さに考慮して各距離Ｌｘにおける縦横抵抗率比ρｙｘ／ρｘｘ を求める。さらに、求めた縦横抵抗率比ρｙｘ／ρｘｘ 、並びに、既に得られているスピン偏極度Ｐｓが０％および１００％のときの試料３ａの各縦抵抗率ρｘｘ（Ｐｓ＝０）及びρｘｘ（Ｐｓ＝１）の値を（２０）式に代入し、各距離Ｌｘにおける試料３ａのスピン偏極度Ｐｓを算出する。同図（ｂ）は、この算出結果をグラフに表したものである。同グラフの横軸はスピン偏極源２ａからの距離Ｌｘ、縦軸はスピン偏極度Ｐｓを表す。同グラフに示されるように、スピン偏極度Ｐｓは、スピン偏極源２ａから離れるのに従って漸減するパターンのカーブ特性を有する。図３に示すスピン偏極度測定メータ１１に用いられる非磁性導体３の長さＬａは、自然対数の底をｅとすると、スピン偏極度Ｐｓが１／ｅ（＝約１／２．７）に低減する距離、つまり、スピン自然拡散長よりも短く設定される（Ｌａ＜スピン自然拡散長）。
【００６９】
図３に示すスピン偏極度測定メータ１１では、被測定材料２から距離Ｌａ離れた地点における非磁性導体３のスピン偏極度Ｐ’ｓ（Ｌａ）を得ることが出来るが、上記較正器２１で得た結果を使うことで、スピン偏極度測定メータ１１で得たスピン偏極度Ｐ’ｓ（Ｌａ）から、被測定材料２からの距離０におけるスピン偏極度Ｐｓ、つまり、被測定材料２のスピン偏極度Ｐ’ｓ（０）を得ることが出来る。すなわち、上記較正器２１で得た距離Ｌａにおけるスピン偏極度Ｐｓ（Ｌa）に対するスピン偏極度測定メータ１１で得た距離Ｌａにおけるスピン偏極度Ｐ’ｓ（Ｌａ）の比が、被測定材料２のスピン偏極度Ｐ’ｓに等しい。
【００７０】
このような本実施の形態によるスピン偏極度測定メータ１１によれば、メータ本体１２の両端に電圧を印加してメータ本体１２における被測定材料２から非磁性導体３にスピン偏極電流Ｉｓｐｉｎを注入し、注入したスピン偏極電流Ｉｓｐｉｎの進行方向に平行及び垂直な縦方向電圧Ｖｘ及び横方向電圧Ｖｙを電圧計Ｖ１及びＶ２で測定することで、縦抵抗Ｒ‖及び横抵抗Ｒ⊥の値を求めることが出来る。このため、キャリアの走行状態に摂動を加えずにスピン偏極度Ｐｓの評価を簡便に行うことが可能なスピン偏極度測定メータ１１が提供される。従って、本実施の形態によるスピン偏極度測定メータ１１は、原理上、実際のスピントロニクスデバイスにおけるリード線やソース−ドレイン電極間のスピン偏極度Ｐｓを、通常の電流計による電流測定と同様な手軽さと精度で、簡易にその場で測定できる能力を有している。
【００７１】
次に、上記のスピン偏極度測定メータ１１を用いた本発明による論理演算ゲートの一実施の形態について説明する。
【００７２】
図５は、この一実施の形態による論理演算ゲート３１の構成の概略斜視図である。
【００７３】
論理演算ゲート３１は、第１のスピン偏極度測定メータ１１Ａと第２のスピン偏極度測定メータ１１Ｂと第３のスピン偏極度測定メータ１１Ｃとを備えて構成されている。
【００７４】
第１のスピン偏極度測定メータ１１Ａは、導電性を有する第１の導電材料２Ａに第１の非磁性導体３Ａが異種接合された第１のメータ本体１２Ａから構成される。第１のメータ本体１２Ａの両端に電圧を印加して入力電流Ｉ１を流し、第１の導電材料２Ａから第１の非磁性導体３Ａに第１のスピン偏極電流ＩSPIN１を注入する。第１の電圧測定手段を構成する電圧計Ｖ１Ａは、注入された第１のスピン偏極電流ＩSPIN１の進行方向に平行な縦方向電圧Ｖｘを測定する。第２の電圧測定手段を構成する電圧計Ｖ２Ａは、第１のスピン偏極電流ＩSPIN１の進行方向に垂直な横方向電圧Ｖｙを測定する。
【００７５】
また、第２のスピン偏極度測定メータ１１Ｂは、導電性を有する第２の導電材料２Ｂに第２の非磁性導体３Ｂが異種接合された第２のメータ本体１２Ｂから構成される。第２のメータ本体１２Ｂの両端に電圧を印加して入力電流Ｉ２を流し、第２の導電材料２Ｂから第２の非磁性導体３Ｂに第２のスピン偏極電流ＩSPIN２を注入する。第３の電圧測定手段を構成する電圧計Ｖ１Ｂは、注入された第２のスピン偏極電流ＩSPIN２の進行方向に平行な縦方向電圧Ｖｘを測定する。第４の電圧測定手段を構成する電圧計Ｖ２Ｂは、第２のスピン偏極電流ＩSPIN２の進行方向に垂直な横方向電圧Ｖｙを測定する。
【００７６】
また、第３のスピン偏極度測定メータ１１Ｃは、第３のメータ本体１２Ｃから構成される。第３のメータ本体１２Ｃは第３の非磁性導体３Ｃからなり、第３の非磁性導体３Ｃには第１の非磁性導体３Ａ及び第２の非磁性導体３Ｂが同種接合されている。なお、これら第１、第２及び第３の各非磁性導体３Ａ、３Ｂ及び３Ｃを一体成形し、接合部分を無くしてもよい。第３の非磁性導体３Ｃには、第１の非磁性導体３Ａ及び第２の非磁性導体３Ｂから第１のスピン偏極電流ＩSPIN１及び第２のスピン偏極電流ＩSPIN２が流入し、第３のスピン偏極電流ＩSPIN３が流れる。この第３のスピン偏極電流ＩSPIN３は、第１のスピン偏極電流ＩSPIN１及び第２のスピン偏極電流ＩSPIN２が合成して形成されるものであり、第３の非磁性導体３Ｃから電流Ｉ３として出力される。第５の電圧測定手段を構成する電圧計Ｖ１Ｃは、第３のスピン偏極電流ＩSPIN３の進行方向に平行な縦方向電圧Ｖｘを測定する。第６の電圧測定手段を構成する電圧計Ｖ２Ｃは、第３のスピン偏極電流ＩSPIN３の進行方向に垂直な横方向電圧Ｖｙを測定する。
【００７７】
このような論理演算ゲート３１は、第１のスピン偏極電流ＩSPIN１のキャリアのスピン偏極度Ｐ１及び第２のスピン偏極電流ＩSPIN２のキャリアのスピン偏極度Ｐ２を入力値、第３のスピン偏極電流ＩSPIN３のキャリアのスピン偏極度Ｐ３を出力値とする、２入力で１出力の擬似排他的論理演算ゲートを構成する。ここで、第１、第２及び第３の各スピン偏極度測定メータ１１Ａ、１１Ｂ及び１１Ｃは、チャネル領域δが非磁性体から構成されるため、アップ及びダウンスピンしたキャリアの双方を受け入れることが出来る。また、入力値であるスピン偏極度Ｐ１及びＰ２は、第１及び第２の各導電材料２Ａ及び２Ｂに外部磁場を印加して、または、第１及び第２の各導電材料２Ａ及び２Ｂの幅方向に電圧を印加してスピン偏極電流を注入し、キャリアのスピンを反転することで、任意に変えられる。
【００７８】
すなわち、第１のメータ本体１２Ａ及び第２のメータ本体１２Ｂにそれぞれスピン偏極度Ｐ１及びＰ２が１００％の第１のスピン偏極電流ＩSPIN１及び第２のスピン偏極電流ＩSPIN２を注入すると、第３のメータ本体１２Ｃにはスピン偏極度Ｐ３が１００％の第３のスピン偏極電流ＩSPIN３が流れる。また、第１のメータ本体１２Ａ及び第２のメータ本体１２Ｂにそれぞれスピン偏極度Ｐ１が１００％の第１のスピン偏極電流ＩSPIN１及びスピン偏極度Ｐ２が−１００％の第２のスピン偏極電流ＩSPIN２を注入すると、第３のメータ本体１２Ｃにはスピン偏極度Ｐ３が０％の第３のスピン偏極電流ＩSPIN３が流れる。また、第１のメータ本体１２Ａ及び第２のメータ本体１２Ｂにそれぞれスピン偏極度Ｐ１が−１００％の第１のスピン偏極電流ＩSPIN１及びスピン偏極度Ｐ２が１００％の第２のスピン偏極電流ＩSPIN２を注入すると、第３のメータ本体１２Ｃにはスピン偏極度Ｐ３が０％の第３のスピン偏極電流ＩSPIN３が流れる。また、第１のメータ本体１２Ａ及び第２のメータ本体１２Ｂにそれぞれスピン偏極度Ｐ１及びＰ２が−１００％の第１のスピン偏極電流ＩSPIN１及び第２のスピン偏極電流ＩSPIN２を注入すると、第３のメータ本体１２Ｃにはスピン偏極度Ｐ３が−１００％の第３のスピン偏極電流ＩSPIN３が流れる。ここで、−１００％のスピン偏極度Ｐｓとは、全てのキャリアのスピンがダウンしている状態である。
【００７９】
このため、本実施の形態による論理演算ゲート３１では、第１のスピン偏極電流ＩSPIN１のキャリアのスピン偏極度Ｐ１及び第２のスピン偏極電流ＩSPIN２のキャリアのスピン偏極度Ｐ２を入力値、第３のスピン偏極電流ＩSPIN３のキャリアのスピン偏極度Ｐ３を出力値とすると、出力値Ｐ３及び一方の入力値Ｐ１またはＰ２が分かると、他方の入力値Ｐ２またはＰ１が一義的に推測される。ここで、各入力値Ｐ１、Ｐ２及び出力値Ｐ３は、第１〜第３の各メータ本体１２Ａ、１２Ｂ及び１２Ｃを流れる第１〜第３の各スピン偏極電流ＩSPIN１、ＩSPIN２及びＩSPIN３の進行方向に平行な縦方向電圧Ｖｘ及びこれに垂直な横方向電圧Ｖｙを電圧計Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂ及びＶ１Ｃ、並びにＶ２Ａ、Ｖ２Ｂ及びＶ２Ｃで測定し、縦抵抗率ρｘｘ及び横抵抗率ρｙｘを求めてスピン偏極度Ｐｓを算出することで、得られる。
【００８０】
出力値Ｐ３及び一方の入力値Ｐ１またはＰ２から他方の入力値Ｐ２またはＰ１が一義的に推測されるこのような擬似排他的な論理関係は、図６（ａ）に示す真理値表にまとめられる。ここで、論理値「１」は１００％のスピン偏極度Ｐｓ、論理値「−１」は−１００％のスピン偏極度Ｐｓ、論理値「０」は０％のスピン偏極度Ｐｓに対応している。同図（ｂ）は、排他的論理和（ＸＯＲ）を演算する一般的な論理演算ゲートにおける入力値Ａ、Ｂ及び出力値Ｃ間の論理関係を表す真理値表である。この真理値表でも、出力値Ｃ及び一方の入力値ＡまたはＢから、他方の入力値ＢまたはＡが一義的に推測される。このため、同図（ａ）に演算論理を示す本実施の形態による論理演算ゲート３１の擬似ＸＯＲは、同図（ｂ）に演算論理を示す一般的なＸＯＲに類似する。従って、本実施の形態による論理演算ゲート３１により、擬似排他的な論理和を演算する擬似ＸＯＲゲートが提供される。
【００８１】
図７は、一般的なＸＯＲ論理演算ゲート４１を５個のＰＮＰトランジスタ４２〜４６及び１個のＮＰＮトランジスタ４７で構成した一例を示す。入力値Ａをスイッチ４８、入力値Ｂをスイッチ４９で入力することで、出力端子５０に出力値Ｃが得られる。一般的なＸＯＲ論理演算ゲート４１はこのように６個のバイポーラ・トランジスタ４２〜４７を必要とする。１個当たりのこれらトランジスタ４２〜４７におけるＰＮ接合は２個であるから、ＸＯＲ論理演算ゲート４１には合計で１２個のＰＮ接合が必要とされる。これに対し、本実施の形態による擬似ＸＯＲ論理演算ゲート３１は、第１、第２及び第３の各非磁性導体３Ａ、３Ｂ及び３Ｃを一体成形することで、第１の導電材料２Ａと第１の非磁性導体３Ａとの接合、及び第２の導電材料２Ｂと第２の非磁性導体３Ｂとの接合の２個の接合で、極めて簡単に構成することが出来る。
【００８２】
次に、上記の論理演算ゲート３１を用いた本発明による信号暗号化及び復号化方法の一実施の形態について説明する。
【００８３】
本実施の形態の信号暗号化方法では、上記の論理演算ゲート３１における第１のメータ本体１２Ａ及び第２のメータ本体１２Ｂの一方に送信信号列、他方に乱数列を入力して、第３のメータ本体１２Ｃから出力される信号列を暗号列として送信する。例えば、第１のメータ本体１２Ａにおけるキャリアのスピン偏極度Ｐ１を図８（ａ）に示すスピン偏極信号列Ｐ１、第２のメータ本体１２Ｂにおけるキャリアのスピン偏極度Ｐ２を同図（ｂ）に示すスピン偏極乱数列Ｐ２として信号入力すると、第３のメータ本体１２Ｃのキャリアのスピン偏極度Ｐ３は、図６（ａ）に示す真理値表に従った同図（ｃ）に示す値となる。本実施の形態の信号暗号化方法では、同図（ｃ）に示すこの値の列を暗号化情報列Ｐ３として第３のメータ本体１２Ｃから出力し、情報通信における鍵暗号化を行う。
【００８４】
また、本実施の形態の信号復号化方法では、上記の論理演算ゲート３１の図６（ａ）に示す演算論理に基づいて、乱数列と受信した暗号列とから、送信信号列を復号する。例えば、図８（ｃ）に示す暗号化情報列Ｐ３を受信した場合には、送信時に用いた同図（ｂ）に示すスピン偏極乱数列Ｐ２と同じ同図（ｅ）に示すスピン偏極乱数列Ｐ２を用い、図６（ａ）に示す真理値表の論理に基づき、同図（ｆ）に示すスピン偏極信号列Ｐ１を復号化する。この復号化により、送信された同図（ａ）に示すスピン偏極信号列Ｐ１を得ることで、情報通信における鍵復号化を行う。
【００８５】
このような本実施の形態の信号暗号化及び復号化方法によれば、上記のように、第１のメータ本体１２Ａに入力される送信信号列Ｐ１と第２のメータ本体１２Ｂに入力される乱数列Ｐ２とは、論理演算ゲート３１によって図６（ａ）に示す擬似排他的論理和がとられ、その論理演算結果が暗号列Ｐ３として第３のメータ本体１２Ｃから出力され、送信される。論理演算ゲート３１は、出力値である暗号列Ｐ３及び一方の入力値である乱数列Ｐ２から他方の入力値である入力信号列Ｐ１が一義的に推測されるので、受信側では、乱数列Ｐ２と受信した暗号列Ｐ３とから、論理演算ゲート３１の演算論理に基づいて、送信した信号列Ｐ１を復号化することが出来る。
【００８６】
このため、上記の擬似ＸＯＲ論理演算ゲート３１を用いることで、送信信号列Ｐ１を暗号列Ｐ３に暗号化することが出来、暗号列Ｐ３を送信信号列Ｐ１に復号化することが出来る信号暗号化及び復号化方法が提供される。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
ＸＯＲ論理演算ゲート４１は、各種ＴＴＬを始め、鍵暗号通信における情報の暗号化及び復号化技術に必須の論理ゲートである。このため、本発明によるスピン偏極度ＰＳを入出力とする上述した擬似ＸＯＲ論理演算ゲート３１は、これらディジタル回路における省電力化と高度集積化に格段の進歩をもたらす。
【符号の説明】
【００８８】
１…伝導電子
１α…スピンアップした伝導電子
１β…スピンダウンした伝導電子
２…被測定材料
２ａ…スピン偏極源
２Ａ、２Ｂ…導電材料
３…非磁性導体
３ａ、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ…非磁性導体
１１…スピン偏極度測定メータ
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ…メータ本体
２１…較正器
３１…論理演算ゲート
Ｉ…電流
δ…チャネル領域
ｆＳＯＩ…スピン軌道相互作用力
ｆＨａｌｌ…ホール電気力
ＥＨ…ホール電場
ｍ…スピン磁気モーメント
Ｉｓｐｉｎ…スピン偏極電流
Ｖ１、Ｖ２…電圧計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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