研究紹介
丸文研究奨励賞 受賞者

安藤 和也

慶應義塾大学 理工学部准教授

金属・絶縁体ヘテロ接合を用いた絶縁体スピン流源の開拓
スピン軌道相互作用に基づくスピントロニクスの新展開

研究の背景

景の下、本研究では、金属・絶縁体ヘテロ一連の進展によってスピン流研究の舞台接合におけるスピン軌道相互作用と磁気が大きく広がり、現在では本手法はスピント電子の電荷と電流だけでは実現困難なダイナミクスに注目し、スピン流物理工学のロニクスの標準的研究手法として浸透して新領域開拓を目指した。

いる。

デバイス機能創出の指導原理として、電子スピンとスピン流に基づくスピントロニクスがある。1988年の巨大磁気抵抗効果の発見
以来、長足の進歩を遂げてきたスピントロニ
クスは、2000年代のスピンホール効果の予言・観測によって新たな展開を迎えた。スピ

研究の成果

2. スピン流変換の制御原理開拓

本研究により得られた主な成果は以下の対称性の破れに注目し、スピン流変換の制3項目に集約される。

御原理を開拓した。特に、スピントロニクス

1. 磁化ダイナミクスを用いたスピン流生成手法の確立

チによって、電流からスピン流への変換効

ンホール効果とその逆効果を用いることで、スピン軌道相互作用を介して電流とスピン流を相互に変換することが可能となり、
スピン軌道相互作用を基盤とした新原理のスピスピントロニクス素子における空間反転素子の酸化というこれまでにないアプロー

磁性体を含むヘテロ構造において、磁化率が劇的な増大を示す現象を見出し、自然酸化したCuが、スピントロニクスで最も広くン流デバイス構築とスピン流によって発現のダイナミクスが広範囲の物質・環境にお用いられてきたPtに匹敵するスピン流源とする新現象・新機能発現への道が拓けたのけるスピン流生成を可能とすることを明らか【5】。
なることを明らかにした（図2）
これを契である。にし、スピン流物性の系統的測定ルートを明機に、金属酸化物に注目したスピン流変換に関する研究を展開し、トポロジカル絶縁電荷の流れである電流と異なり、電子ス

【1】
らかにした
（図1）
。
また、
本手法を用いるこ

ピンの流れであるスピン流は、金属・半導体とで、金属から導電性高分子に至るまでスピ体に匹敵する高いスピン流変換効率を示中のみならず絶縁体中さえ伝導する。
また、

ン流研究を展開し、半導体Si中のスピンす電圧制御可能な絶縁体スピン流源を実

スピン流は、角運動量の交換によってナノホール効果観測、導電性高分子を用いたス

【6】。
現した
（図3）
また、
この界面スピン流変領域の磁気構造・ダイナミクスと相互作用

ピン流検出の実証とスピン軌道相互作用換の精密測定によって、絶縁体スピン流源し、多様な物性を発現させる。このため、広に支配されたポーラロンスピン流の緩和機によるスピン流生成の起源はヘテロ界面範囲の物質群にわたるスピン流物性の体構解明など、広範囲の物質群におけるスピのベリー曲率にあることを見出し【7】、
このよ系的理解が求められてきた。このような背ン流物性の理解へと繋がった【2, 3, 4】。
このうな界面スピン軌道相互作用により駆動さ

図1 磁化ダイナミクスによるスピン流生成の模式図と測定結果の例

図2 スピントルク強磁性共鳴を用いたスピン流測定の模式図と測定結果の例丸文研究奨励賞 受賞者

れるスピン流素子の性能最大化には、ヘテロ界面における電子波動関数の非対称性

図3 電圧による酸素駆動を用いた絶縁体スピン流源制御の模式図と測定結果の例の精密制御が本質的であることを明らかにした【8】。
3. スピン流変換を用いたスピントロニクス現象の開拓
スピン軌道相互作用によるスピン流変換をプローブとして用いることで、新たなスピントロニクス現象の開拓も可能となる。
本研究では、ラシュバ電子系と磁化の非局所結合に起因する新たな磁気抵抗効果を見出し、これをラシュバ・エデルシュタイン磁気抵抗効果と名付けた【9】。
さらに、この新原理の磁気抵抗効果を用いることで、スピントロニクス素子への自己組織化有機単分子膜の形成によるスピン流変換

図4 ラシュバ・エデルシュタイン磁気抵抗効果の模式図と自己組織化有機単分子膜を形成した試料における測定結果の例【10】。の分子・光制御を実現した（図4）
スピン軌道相互作用の制御性が高い半導体に対し、金属系におけるスピン流変換の制御は困難であると考えられてきた。この結果は、スピントロニクス現象における素子表面・界面の電子状態変調の重要性を示すものである。
また、スピン流変換を用いることで、磁性絶縁体中で顕在化する非線形スピントロニクス現象にもアプローチし、時間領域測定によるスピン流増大現象機構の解明やフォノン・マグノン混成状態によるスピン流生成の観測に至った【11, 12】。
これらは、固体中の電子・マグノン・フォノン間の相互作用によって発現するスピントロクロ波・テラヘルツ波源、スピン流を介した作用を基軸としたスピン流の物理工学のさニクス現象の体系的理解へと繋がること熱電素子やニューロモルフィック素子に至らなる発展が期待される。

が期待される。

るまで、現代のエレクトロニクス原理では実現困難なデバイスの物理基盤となった。ス

将来の展望

謝辞

ピンホール効果の発見以来、スピン軌道相

本研究は、多くの方々のご支援・ご協力の互作用によって現れるスピン流変換は10もとに行われたものです。学生時代よりご指スピン軌道相互作用が主役となるスピ年以上にわたり膨大な研究が行われてきた導いただきました東京大学 齊藤英治教授

ントロニクスに関する研究は近年著しく発が、現在でも新たな物理の発見が相次いでをはじめ、国内外の共同研究者および学生展し、不揮発記憶素子、ナノスケールマイいる。今後の研究により、スピン軌道相互の皆様に深く感謝申し上げます。

References（参考文献）【1】K. Ando, S. Takahashi, J. Ieda, H. Kurebayashi, T. Trypiniotis, C. H. W. Barnes, S. Maekawa, and E. Saitoh, Nature Materials 10, 655 (2011).
【2】K. Ando and E. Saitoh, Nature Communications 3, 629 (2012).
【3】K. Ando, S. Watanabe, S. Mooser, E. Saitoh, and H. Sirringhaus, Nature Materials 12, 622 (2013).
【4】S. Watanabe, K. Ando, K. Kang, S. Mooser, Y. Vaynzof, H. Kurebayashi, E. Saitoh, and H. Sirringhaus Nature Physics 10, 308 (2014).
【5】H. An, Y. Kageyama, Y. Kanno, N. Enishi, and K. Ando, Nature Communications 7, 13069 (2016).
【6】H. An, T. Ohno, Y. Kanno, Y. Kageyama, Y. Monnai, H. Maki, J. Shi, and K. Ando, Science Advances 4, eaar2250 (2018).
【7】T. Gao, A. Qaiumzadeh, H. An, A. Musha, Y. Kageyama, J. Shi, and K. Ando, Physical Review Letters 121, 017202 (2018).
【8】Y. Kageyama, Y. Tazaki, H. An, T. Harumoto, T. Gao, J. Shi, and K. Ando, Science Advances 5, eaax4278 (2019).
【9】H. Nakayama, Y. Kanno, H. An, T. Tashiro, S. Haku, A. Nomura, and K. Ando, Physical Review Letters 117, 116602 (2016).
【10】H. Nakayama, T. Yamamoto, H. An, K. Tsuda, Y. Einaga, and K. Ando, Science Advances 4, eaar3899 (2018).
【11】H. Sakimura, T. Tashiro, and K. Ando, Nature Communications 5, 5730 (2014).
【12】H. Hayashi and K. Ando, Physical Review Letters 121, 237202 (2018).