２０１９年９⽉２０⽇
早稲⽥⼤学/北海道⼤学/明治⼤学
東北⼤学/東京⼤学/理化学研究所

⽔素や炭素などのありふれた原⼦からなる有機化合物を使った新しいスピン流⽣成機構を発⾒発表のポイント

省エネルギー電⼦機器実現のため、発熱によるエネルギー損失の少ないスピン流が注⽬されている

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しかし、従来のスピン流⽣成機構には、希少な重⾦属が必要なほか原理的問題点があった

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研究グループは、⽔素や炭素などのありふれた原⼦からなる有機化合物を使った⽣成機構を発⾒
早稲⽥⼤学⾼等研究所の中 惇（なか まこと）講師は、北海道⼤学、明治⼤学、東北⼤学⾦属材料研究所、東京⼤学、理化学研究所と共同で、これまでプラチナ（Pt）などの希少な重⾦属を⽤いて⽣成されてきたスピン流（※１）を、⽔素や炭素、酸素などのありふれた元素からなる有機化合物を⽤いて⾼い効率で⽣み出す新しい機構を理論的に発⾒しました。これはスピントロニクス（※２）材料研究の裾野を⼤きく広げ、電⼦機器への応⽤を進める画期的な成果です。
電⼦は電荷を持つと同時に⼩さな磁⽯としての性質（スピン）を持っています。現代社会を⽀える電⼦機器のほとんどは、電荷の流れである電流を⽤いて動作していますが、もしもこれをスピンの流れ（スピン流）に置き換えることができれば、発熱によるエネルギー損失のない究極の省エネルギー機器が実現できます。
本研究では、有機化合物の分⼦の配向パターンに注⽬し、新しい機構を発⾒しました。理論計算から、この機構によるスピン流への変換効率は、Pt を⽤いた従来の⽣成機構と匹敵することが明らかになっています。今後、本研究で構築した理論をさらに多様な物質へと応⽤することで、⾼効率なスピン流⽣成を可能とする物質を理論的に⾒出し、理論の実証を⽬指します。
本研究成果は、『Nature Communications』に２０１９年９⽉２０⽇午前１０時（現地時間）に掲載されますので、報道解禁を⽇本時間２０１９年９⽉２０⽇午後６時以降（新聞掲載は２１⽇付朝刊以降）とさせていただきます。ご協⼒、よろしくお願いいたします。
【論⽂情報】
雑誌名︓Nature Communications
論⽂名︓Spin current generation in organic antiferromagnets
執筆者名（所属機関名）
︓Makoto Naka（早稲⽥⼤学）, Satoru Hayami（北海道⼤学）, Hiroaki Kusunose（明治⼤学）, Yuki Yanagi（東北⼤学⾦属材料研究所）, Yukitoshi Motome（東京⼤学）, Hitoshi Seo（理化学研究所）
掲載⽇時︓２０１９年９⽉２０⽇午後６時（⽇本時間）
DOI︓10.1038/s41467-019-12229-y

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（１）これまでの研究でわかっていたこと
電⼦は電荷を持つと同時に⼩さな磁⽯としての性質（スピン）を持っています。現代社会を⽀える電⼦機器のほとんどは、電荷の流れである電流を⽤いて動作していますが、もしもこれをスピンの流れ（スピン流）に置き換えることができれば、ジュール発熱によるエネルギー損失のない究極の省エネルギー機器が実現できます。このためには、スピン流を電流と同じように深く理解し、⾃在に制御できる必要があります。
スピン流を効率良く作り出す⽅法の⼀つに、2000 年代の初めに発⾒されたスピンホール効果（※３）
があります。これはスピン軌道結合（※４）と呼ばれる性質に由来します。しかしながら、スピン軌道結合は重い原⼦ほど強いため、⼤きなスピンホール効果を得るにはプラチナ（Pt）などの希少な重⾦属が必要となります。さらに、スピン軌道結合は、⾼い効率でスピン流を⽣成できる反⾯、スピン流が物質中を伝わる距離を著しく縮めてしまうというジレンマがあります。このため、全く新しいスピン流の⽣成機構が強く求められていました。
（２）今回の研究で新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと
こうした問題に対して、本研究では、⽔素や炭素、酸素などのありふれた軽い原⼦で構成された有機化合物を使って、スピン軌道結合に頼ることなくスピン流を作り出す⽅法を理論的に発⾒しました。
有機化合物は、その構成単位が「丸い」原⼦ではなく「形を持った」分⼦であるため、分⼦が特定の⽅向を向いて整列することで結晶を構成しています。本研究で注⽬した κ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Cl という有機化合物では、板状の BEDT-TTF という分⼦が⼆つずつ向きを揃えたペアを組んで結晶化します[図 1(a)]。この時、図中 A、B で⽰すように、ペアの⽅向には⼆種類あることが重要なカギになります。
研究グループは、この配向パターンに注⽬し、この物質におけるスピン流を理論的に計算しました。その結果、⼆種類のペアに電⼦スピンがそれぞれ逆向きに整列した反強磁性と呼ばれる磁気的な状態において、電場あるいは温度勾配を加えることで、電⼦がそのスピンの⽅向に応じて異なる⽅向へと流れることを⾒出しました。これは、加えた電場や温度勾配と垂直な⽅向にスピン流が発⽣することを意味します[図 1(b)]。
このスピン流の⽣成機構は、これまでのスピンホール効果によるものとは本質的に異なるものです。
ここでは、スピン軌道結合の代わりに、配向した分⼦ペア上の反強磁性が、電⼦の流れをそのスピンの向きに応じて振り分ける役割を果たしています。これにより、これまでのスピン流⽣成に必須とされてきたスピン軌道結合を必要としないため、軽い元素のみでできた有機化合物でも効率的にスピン流を⽣成することが可能となっています。実際、理論計算から、この機構によるスピン流への変換効率は、Ptを⽤いたスピンホール効果によるものに匹敵することが明らかになりました。図 1(b)に⽰した反強磁性状態は、κ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Cl において低温で実現する状態であるため、本研究で⾒出したスピン流⽣成の実験的な検証が待たれます。

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（３）そのために新しく開発した⼿法
ここでカギとなった分⼦ペアの配向の効果は、理論的にも実験的にも⻑年⾒落とされていたものでした。これまでの多くの研究では、分⼦ペアを⼀つの丸い「原⼦」と⾒なす簡単化が⾏われていました。
本研究では、分⼦配向をあらわに取り⼊れた精密なモデルを構築し、量⼦⼒学に基づいた解析計算とコンピュータシミュレーションを併⽤することで、その性質を初めて詳しく調べました。これが新しいスピン流⽣成機構の発⾒に繋がりました。
（４）研究の波及効果や社会的影響
スピン流の⽣成に強いスピン軌道結合が必要であることは、現代のスピントロニクス研究の常識であり、希少な重⾦属が必要となることやスピン流の伝わる距離が短くなってしまうことは原理的に避けられない頭の痛い問題でした。本研究の成果は、これら⼆つの問題を同時に解決する画期的な⽅法と⾔えます。同時に、これまでのスピントロニクス研究ではあまり注⽬されてこなかった物質の中にも、優れたスピン流⽣成機能を⽰す材料が潜んでいる可能性を強く⽰唆しています。これはスピントロニクス材料研究の裾野を⼤きく広げ、電⼦機器への応⽤を確実に⼀歩進めるものであると期待できます。
（５）今後の課題本研究で提案する新しいスピン流⽣成機構では、有機化合物における分⼦の配向が重要な役割を果たします。これに類似した現象は、遷移⾦属元素などからなる無機化合物においても、電⼦分布の変形や配向として現れることがあります。このことは、特定の有機化合物に限らず様々な無機化合物も、本研究で⾒出した新しい機構に基づいたスピン流の⽣成の舞台となりうることを⽰唆しています。今後は、本研究で構築した理論をさらに多様な物質へと応⽤することで、⾼効率なスピン流⽣成を可能とする物質を理論的に⾒出して、実証実験を提案していきたいと考えています。

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（６）⽤語解説※１

スピン流

電荷の流れを伴わない純粋なスピンの流れ（「純スピン流」とも呼ばれる）。上向きスピンと下向きスピンを持つ電⼦の流れをそれぞれ J↑、J↓と定義すると、電流はこれらの和で I = J↑+J↓と表されるのに対して、スピン流は差で Ispin = J↑-J↓となる。J↑= - J↓の場合、電流はゼロとなってスピン流だけが残るため、スピン流を情報を運ぶ担体として活⽤できれば、省エネルギーデバイスが実現できる。
※２

スピントロニクス

スピンとエレクトロニクスという⼆つの単語を合わせた造語で、電⼦のスピンをトランジスタなどの電⼦デバイスに応⽤することを⽬指す⼯学と、それを⽀える基礎物理からなる複合分野。1980 年代に発⾒され、2007 年のノーベル物理学賞に輝いた巨⼤磁気抵抗効果（磁場によって⽣じる物質の電気抵抗の急激な変化）とそのハードディスクへの応⽤によって⼤きく発展し、近年ではスピン流を中⼼とした研究が盛んに⾏われている。
※３

スピンホール効果

物質に電場を加えた時、これと垂直な⽅向にスピン流が発⽣する現象。スピン軌道結合によって、電⼦の運動⽅向（軌道）がスピンの⽅向に依存して変化することで⽣じる。⼤きなスピン軌道結合を持つ重⾦属や半導体界⾯などで実際に観測されており、スピン流を⽣成・制御する有⼒な⽅法の⼀つとされている。
※４

スピン軌道結合

原⼦核の周りを運動する電⼦がもつスピンと、軌道運動にまつわる軌道⾓運動量とを結び付ける相対論的な相互作⽤。原⼦核の正電荷が⼤きく、電⼦が原⼦核近傍に引き付けられるほど⼤きくなるため、原⼦番号が⼤きい元素ほど強くなる傾向がある。スピン軌道結合が強い物質では、スピンは電荷のような保存量ではなくなるため、スピン流は短距離で消失してしまう。
（７）研究助成
研究費名︓⽇本学術振興会

科学研究費

若⼿研究 B

研究課題名︓分⼦ダイマー構造が創出する新奇な電気磁気効果の開拓
研究代表者名（所属機関名）︓中 惇（早稲⽥⼤学）研究費名︓⽇本学術振興会

科学研究費

基盤研究 C

研究課題名︓分⼦配列構造に内在するスピントロニクス機能の開拓
研究代表者名（所属機関名）︓中 惇（早稲⽥⼤学）
研究費名︓⽇本学術振興会

科学研究費

新学術領域（研究領域提案型）

研究課題名︓局所的な軌道混成に由来するトロイダル多極⼦がもたらす新奇マルチフェロイクスの開拓研究代表者名（所属機関名）︓速⽔ 賢（北海道⼤学）

4 / 6研究費名︓⽇本学術振興会

科学研究費

若⼿研究

研究課題名︓遍歴磁性体におけるカイラル磁気秩序相の起源解明と特異な磁気・⾮相反伝導の探求
研究代表者名（所属機関名）︓速⽔ 賢（北海道⼤学）
研究費名︓⽇本学術振興会

科学研究費

新学術領域（研究領域提案型）

研究課題名︓拡張多極⼦による動的応答研究代表者名（所属機関名）︓網塚 浩（北海道⼤学）、研究分担者名︓楠瀬博明（明治⼤学）
研究費名︓⽇本学術振興会

科学研究費

基盤研究 C

研究課題名︓微視的多極⼦の秩序による創発スピン軌道物性の開拓
研究代表者名（所属機関名）︓楠瀬博明（明治⼤学）
研究費名︓⽇本学術振興会

科学研究費

基盤研究 C

研究課題名︓電荷秩序およびスピン転移を⽰す強相関物質における光誘起量⼦ダイナミクスの理論研究代表者名（所属機関名）︓妹尾仁嗣（理化学研究所）
研究費名︓⽇本学術振興会

科学研究費

挑戦的研究（萌芽）研究課題名︓複雑分⼦系の有効モデル化と量⼦ダイナミクスの理論研究代表者名（所属機関名）︓妹尾仁嗣（理化学研究所）【研究内容に関するお問い合わせ先】
早稲⽥⼤学⾼等研究所
Tel:03-5286-2108

講師

中 惇

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E-mail︓koho@list.waseda.jp

北海道⼤学総務企画部広報課広報・渉外担当
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明治⼤学経営企画部広報課
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東北⼤学⾦属材料研究所情報企画室広報班
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東京⼤学⼤学院⼯学系研究科広報室
Tel︓03-5841-6295

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理化学研究所広報室
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