有機分子へのスピントランスファー効果

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東北大学大学院工学研究科、2 大阪大学大学院基礎工学研究科、3 分子科学研究所、4 東京大学大学院

新領域創成科学研究科、5 高輝度光科学研究センター、6 東京大学物性研究所量子物質研究グループ
蒲生寛武 1、下瀬弘輝 2、榎涼斗 1、南谷英美 3、塩足亮隼 4、小谷佳範 5、豊木研太郎 5、中村哲也 5、杉本宜昭 4、好田誠 1、新田淳作 1、三輪真嗣 6, 2
はじめに

かすスピントルク[8]のように、分子スピンに対するスピ分子磁性はスピントロニクスや量子情報分野において非ントルクの確立が望まれている。

常に注目を集めている[1]。理由のひとつとして、金属フ本研究では金属白金(Pt)と鉄フタロシアニン(FePc)分子タロシアニン等の錯体における電子スピンがコヒーレンスから構成される系の磁気抵抗効果を精査した。この FePcを保つ緩和時間が長いことが挙げられる[2]。これまでに分子は Fe2+イオンを有する磁性分子である。まず膜面に錯体分子の電子状態を制御する方法として、金属界面を用対 し て 垂 直 磁 場 下 の 磁 気 抵 抗 効 果 に 対 し て Hikami-

いた研究が報告されてきた。例えば強磁性金属を用いるとLarkin-Nagaoka の式として知られる量子干渉効果(弱反分子内にスピン偏極が生じたり[3]、スピン偏極率が 100%局在)の解析[9]を行うことにより、FePc 分子の磁気モーになるハーフメタリック特性[4]が現れることが知られてメントが Pt の伝導電子に対して磁性不純物として作用すいる。他には有機半導体分子中でスピン流が観測されたりることがわかった。さらに膜面に対して面内磁場下の磁気[5]、非磁性金属上で磁性分子の磁気異方性が非磁性金属抵抗効果から、系がスピンホール磁気抵抗効果[10]を示すとの混成により変化した例もある[6]。このように金属/分ことを見出した。本結果は金属の Pt から磁性分子の FePc

子界面は分子におけるスピン物性研究において非常に魅力へとスピン角運動量が移行したことを示す結果であり、ス的な舞台である。この分子の機能性をスピントロニクスにピントランスファー効果によるスピントルクが分子に対し利用するためには、分子における電子スピンの状態を制御てはたらくことを意味する。

し、読み出す必要がある。将来的に集積回路の実現を念頭に置くのであれば、制御や読み出しは光や磁場でなく電気実験結果的に行われる必要がある。しかし、これまでに分子におけ本研究実験では FePc 及び金属原子を含まないフタロシ

る核スピンの電気的制御及び検出が極低温で行われているアニン(H2Pc)の 2 種類の分子を用いた。分子構造及び積層ものの[7]、電子スピンの例はない。従って強磁性体の磁構造は図 1(a)及び(b)の通りであり、厚さ 6 nm の Pt の上化に対して、スピン偏極電流との角運動量保存で磁化を動にフタロシアニン 1 分子層相当分(0.32 nm)を超高真空中下

図 1 (a) 鉄フタロシアニン分子(FePc)デバイスの構造、(b)フタロシアニン(H2Pc)デバイスの構造、(c) デバイスの走査プローブ顕微鏡像、(d)光学顕微鏡像■■■■ ■■■

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の蒸着法にて成膜した。同等の条件を用いて行ったプロー導電子に対してほとんど影響を及ぼさないことを示していブ顕微鏡を使った参照実験からは、図 1(c)に示すようにる 。 実 際 に Hikami-Larkin-Nagaoka の 式 [9] か ら

FePc 分子が Pt 表面上に平らに敷き詰められるように存在

Pt/H2Pc デバイスの位相コヒーレンス長及びスピン軌道長することがわかっている。図 1(a)及び(b)に示した多層膜を求めると、それらは Pt 単層のものと同程度であった。

をフォトリソグラフィー及び Ar イオンミリング法を用いこのように磁性を持つ FePc を吸着させた時のみ、Pc 分子てホール効果測定用デバイスに加工した。デバイスの光学は Pt の伝導電子に対して磁性不純物としてはたらくこと

顕微鏡写真が Fig. 1(d)である。ホール効果測定部分の幅はがわかった。吸着分子を変えても電気抵抗はほぼ変化しな10 μm、長さは 800 μm に設計した。この Pt 表面に吸着いため、FePc 単分子層は Pt の弱反局在を壊すのに十分であされた FePc 分子が S = 1 に近いスピン状態を有することるにも関わらず Pt 中の散乱現象には影響を与えないことがは大型放射光施設 SPring-8 でのＸ線吸収分光実験及び第わかる。

一原理計算により確認している。

図 2(c)と(d)は膜面に対して面内方向に磁場を印加した

図 2(a)及び(b)は膜面垂直磁場下での磁気抵抗効果の測時の磁気抵抗効果である。まず放物線状の正の磁気抵抗効定結果である。Pt/H2Pc デバイスにおいて、縦軸に示す規果は外部磁場の二乗に比例する通常磁気抵抗効果、そして格化コンダクタンスの外部磁場による変化(Δδ)は測定温度薄膜端部のスピン蓄積に起因する Hanle 磁気抵抗効果[11]を下げるほど大きくなっている。一方で Pt/FePc デバイス等と考えられる。しかし、図 2(d)の Pt/FePc デバイスにおではほぼ変化がない。これは FePc 分子の吸着が Pt における磁気抵抗効果を注視すると、これらの正の磁気抵抗効ける弱反局在を壊すのに対し、H2Pc 分子の吸着は Pt の伝果に重畳して負の磁気抵抗効果が生じていることがわかる。

図 2 (a), (b) 膜面垂直磁場下での磁気抵抗効果。(c), (d)膜面内磁場下での磁気抵抗効果、(e) Pt/FePc で観測された負の磁気抵抗効果の温度依存特性、(f)スピンホール磁気抵抗効果の原理。

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Pt/FePc デバイスにおける負の磁気抵抗効果は図 2(e)に示

8.

J. A. Katine et al., Phys. Rev. Lett. 2000, 84, 3149.

すように測定温度が上昇すると小さくなった。FePc 分子

9.

S. Hikami et al., Prog. Theor. Phys. 1980, 63, 707.の強磁性転移温度は 4 K 付近であるため[12]、温度依存す

10. H. Nakayama et al., Phys. Rev. Lett. 2013, 110,る負の磁気抵抗効果は FePc のスピン配列と密接な関係が206601.

あり、スピンホール磁気抵抗効果[10]によるものと考えら

11. M. I. Dyakonov, Phys. Rev. Lett. 2017, 99, 126601.

れる。

12. T. Gredig et al., Phys. Rev. B 2012, 86, 014409.

Pt に電流を流すとスピンホール効果[13]により Pt とFePc の界面にスピンが蓄積する。ここで蓄積スピンのFePc への吸収量、つまり Pt から FePc へのスピン角運動

13. Hirsch, J. E. Spin Hall effect. Phys. Rev. Lett. 1999,83, 1834.
14. H. Gamou et al., Nano Lett. 2020, 20, 75-80.

量移行量は FePc の面内スピン方向に依存して変化することが予想される。このスピン移行量の面内異方性は Pt とFePc の界面におけるスピン流反射量の異方性を生む。ス
ピン流反射量は逆スピンホール効果に起因する負の縦抵抗成分と対応し、磁気抵抗効果が生じる。これが図 2(f)に示
すスピンホール磁気抵抗効果の原理である。本研究ではPt/FePc 膜においてスピンホール磁気抵抗効果が観測されたことから、Pt から FePc 分子へのスピントランスファー(移行)を実証したといえる。

今後の展開
本研究では Pt のスピンホール効果を利用し、磁性分子へのスピントランスファー効果を初めて示した。これは磁性分子にスピントランスファートルクを与えられることを示しており、分子スピンの新たな制御手法として使える可能性がある。具体的には分子を用いた量子演算においてビットの初期化技術として使える可能性がある。本稿では紙面の都合上、詳細な説明を割愛した。本研究の詳細は文献[14]に記されている。

謝辞
本研究の一部は科学研究費助成事業(JSPS-KAKENHI(Nos.15H05699, 15H02099, 15H05854, 25220604 and18H03880)により行われた。

引用文献
1.

M. Cinchetti et al., Nat. Mater. 2017, 16, 507-515.

2.

M. Warner et al., Nature 2013, 503, 504-508.

3.

H. Wende et al., Nat. Mater. 2007, 6, 516-520.

4.

S. Sanvito, Nat. Phys. 2010, 6, 562-564.

5.

M. Cinchetti et al., Nat. Mater. 2009, 8, 115-119.

6.

N. Tsukahara et al., Phys. Rev. Lett. 2009, 102,167203.

7.

S. Thiele et al., Science 2014, 344, 1135.

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