Press Release2022 年 9 ⽉ 1 ⽇
東京⼯業⼤学
千葉⼤学

２次元物質を⽤いたスピン流版太陽電池−新しい光スピントロニクス機能の実現に向けて−【要点】○

ファンデルワールス物質の薄膜において、ギガヘルツ帯からテラヘルツ帯の電磁波を使って⼤きなスピン流を実現する⽅法を理論的に提案した。
○

ファンデルワールス物質の⼀種である Cr ハライド系における光誘起スピン流を⾮線形理論を⽤いて詳細に調べ、この物質で⼤きなスピン流が⽣じることを理論的に予測した。
○

本研究は情報技術の重要な要素である光と磁気の間の直接的な情報交換を可能とし、光磁気技術に新しい展開をもたらす可能性がある。
【概要】
東京⼯業⼤学 理学院 物理学系の⽯塚⼤晃准教授と千葉⼤学 ⼤学院理学研究院の佐藤正寛教授は、原⼦が平⾯状に 2 次元的に並んだ物質（2 次元物質）の⼀種で磁性絶縁体（電気を流さない磁⽯）である Cr ハライド系の物質にギガヘルツ帯からテラヘルツ帯（⽤語 1）の電磁波を印加することで、スピン流（⽤語 2）の整流効果（特定の⽅向に流れが⽣じる現象）が⽣じることを理論的に明らかにした。
バルクの磁性絶縁体におけるスピン流の整流効果は 2019 年に本研究チームによって提案されたが、候補物質はこれまで知られていなかった。本研究では空間反転対称性（⽤語３）の破れた磁性絶縁体である Cr ハライド系を対象として、光誘起スピン流の発⽣条件等を理論的に解析し、（1）この物質で光誘起スピン流がみられること、（2）この物質の光誘起スピン流が先⾏研究のそれと異なる機構で⽣じること、（3）そして先⾏研究の予測値よりも⼤きなスピン流が期待されることを提唱した。
光誘起スピン流は、ギガヘルツ帯からテラヘルツ帯の光信号を磁気的信号に変換する現象であり、この現象を⽤いることで光と磁気の間の直接的な情報交換が可能となる。
本研究で候補物質とより⼤きな応答を実現する⽅法が明らかとなったことは、光磁気技術における新規機能性デバイスの実現に⼤きく近づく契機となると期待できる。
本研究成果は、現地時間 8 ⽉ 30 ⽇付の「Physical Review Letters」に掲載された。

●背景
物質に光を当てることで電流が⽣じる光起電効果は、これまでにシリコンなどの半導体において多くの研究例があり、光起電効果の代表例であるシリコン半導体の太陽電池では、この現象を応⽤して太陽光を電気に変換している。シリコンなどの半導体で光起電効果を起こすためには、通常、p 型半導体と n 型半導体の⼆種類の半導体を接合したpn 接合が必要となる。⼀⽅、空間反転対称性の破れた物質は、pn 接合のような接合を作らなくても光起電効果を⽰すことが知られている（図１）。この現象はバルク光起電効果と呼ばれ、ペロブスカイト酸化物などの物質でみられている。特にバルク光起電効果の⼀種であるシフト電流は、pn 接合によるこれまでの太陽電池の性能限界を超える可能性があることから、近年精⼒的な研究が続けられている。

図 1：空間反転対称性の破れた結晶構造。左右⾮対称に原⼦が並んでいる。

⼀⽅で、ペロブスカイト酸化物などの遷移⾦属化合物は、半導体以外にも磁性体（磁⽯）など多様な性質を⽰し、これらの物質中では、電⼦以外に磁⽯の性質をもつ粒⼦（マグノン（⽤語 4）やスピノン）など多彩な粒⼦が発現することが知られている。こうした磁⽯に特有の粒⼦は、スピントロニクス（⽤語 5）などの次世代のエレクトロニクスへの応⽤が期待されている。
こうした産業応⽤において、鍵となる技術の⼀つがスピノンやマグノンの流れであるスピン流の⽣成と制御である。マグノンやスピノンによるスピン流を光によって特定の⽅向へ流す（整流する）⽅法は、2019 年に本研究チームによってその原理が提案されている。しかし、観測可能な強度のスピン流を実現できる候補物質は知られていなかった。
本研究では、候補物質の発⾒に向けて、実際の物質において⽣じるスピン流を理論的に計算できる⼀般的な公式を導出した。また、この公式を⽤いて、2 次元物質の⼀種で空間反転対称性の破れた磁性絶縁体（電気を流さない磁⽯）である Cr ハライドの光誘起スピン流を計算することで、ギガヘルツからテラヘルツ帯の電磁波の印加によって、直流スピン流が⽣成できること（整流効果）を理論的に指摘した。さらに、この物質で予測されるスピン流の発現機構はこれまでに提案されている機構と異なり、この新機構によってスピン流の強度が先⾏研究の予測よりも⼤きくなることを理論的に⽰した。
●研究成果
本研究では、原⼦が平⾯状に 2 次元に並んだ物質である 2 層 Cr ハライド系物質に着⽬し、この物質の理論模型にさまざまな周波数の電磁波を印加した際のスピン流の発⽣の有無や条件を理論的に解析した。磁性体中では、各原⼦がそれぞれ⼩さな磁⽯（磁気モーメント）として振る舞っており、これらの⼩さな磁⽯が⾊々な並び⽅をすることで多彩な性質を⽰す。2 層 Cr ハライド系物質の反強磁性状態では、磁気モーメントの特殊な配列のために空間反転対称性が破れる。そのため、太陽電池の場合と同様にスピン流の光整流が可能となる。さらに、Cr ハライド系物質では磁気モーメントをもつマグノンという粒⼦が現れる。この模型の電磁波印加時の振る舞いを理論的に調べるために、物質の電磁波に対する応答を研究する際に広く⽤いられている線形応答理論を拡張し、光による直流スピン流の整流現象について検討した。その結果、ギガヘルツからテラヘルツ領域の周波数をもつ電磁波を印加することで、マグノンが特定の⽅向に流れ、直流スピン流の整流効果が⽣じることを発⾒した（図 2 右）。また、この整流効果によって⽣じるスピン流の強度がこれまでの研究より約 2 桁⼤きくなることを⽰した。この光誘起スピン流は、物質の中⼼から両端に向けて流れる拡散的なスピン流（図 2 左）とは定性的に異なる振る舞いを⽰す。また、照射電磁波の磁場成分と磁⽯の磁気モーメントを垂直にした直線偏光（⽤語 6）で⽣じる現象である。直線偏光で整流できることは、円偏光（⽤語 6）の場合と異なり、特別に電磁波の偏光を調整する必要がないことを意味する。この整流的な振る舞いと偏光の調整が不要な点は太陽電池と共通しており、この整流現象は太陽電池のスピン流版ともいえる。
これまでの研究では、光によって磁性体を制御する場合、光と磁性体の間の⾓運動量のやりとりを伴う磁気共鳴を使うことが⼀般的とされてきた。特に、マグノンのスピン流の⽣成には、光の⾓運動量をマグノンに渡すために円偏光が必要とされてきた。テラヘルツ帯域のレーザー科学は近年⼤きく発展しているものの、可視光や⾚外領域のレーザーに⽐べると技術的困難が存在する。特に円偏光の⽣成は難しい。そのため、偏光を調整することなくスピン流を整流できることは実証における技術的なハードルが低いことを⽰している。
本研究では、実際の物質における光誘起スピン流を予測できる公式を導出し、この現象を実現するうえで Cr ハライド系が有⼒な候補物質であることを理論的に明らかにした。
さらに、Cr ハライドの光誘起スピン流の強度がこれまでの理論提案より約 2 桁⼤きいこと、偏光の調整が必要ないことなどの特徴を理論的に明らかにした。これらの特徴は Crハライドが光誘起スピン流の実証や応⽤に向けて有利な性質を持っていることを明らかにしており、 テラヘルツ光によるスピン流発⽣の実現に期待を抱かせるものである。

図 2：スピンポンプによる拡散的スピン流（左）と整流効果によるスピン流（右）。

●社会的インパクト
電気的に磁性体の状態を測定・制御することを実現したスピントロニクスに対し、光を⽤いて磁性を制御する光スピントロニクスは磁気デバイスの新しい技術として注⽬されている。特に絶縁体を⽤いたスピントロニクスには、ジュール熱の抑制など、⾦属を⽤いたデバイスにはない利点が期待できる。スピン流の整流効果は絶縁体のみを⽤いたスピン流の整流・制御における要素技術であり、本研究において候補物質が明らかになったことで、実験的検証に⼤きく近づいたと⾔える。
●今後の展開本研究の成果は、絶縁体スピントロニクスにおける新しいスピン流の⾼速⽣成⽅法の提案と⾒なすこともでき、光によるスピントロニクス分野に新しい視点を与え、それを⼤きく発展させることが期待される。さらに、今回の発⾒はスピン流版シフト電流といえる。つまり、シフト電流のメカニズムが太陽電池以外にも多彩な現象を⽣み出すことを⽰唆しており、⾮線形応答の理論研究に新たな展開をもたらす可能性がある。
●付記
本研究は、⽂部科学省 科学研究費助成事業 基盤研究（A）（JP18H03676）、若⼿研究（JP19K14649）、基盤研究（B)（JP20H01830）、新学術領域研究「量⼦液晶の理論構築」（19H05825）の⽀援を受けて実施された。

【⽤語説明】（1）

ギガヘルツ帯、テラヘルツ帯：電磁波はその周波数の値で分類され、ギガヘルツとは 109 ヘルツであり、テラヘルツは 1012 ヘルツを意味する。テラヘルツ帯のレーザー技術は近年急速に発展しており、今後ますますテラヘルツ光が⾼い精度で⽣成・制御できるようになることが期待される。

（2）

スピン流：マグノンやスピノンはスピンという磁⽯の性質をもっている。そのためこれらの粒⼦の流れはスピンの流れを⽣じる。このスピンの流れをスピン流と呼ぶ。

（3）

空間反転対称性：座標（x,y,z）を（-x,-y,-z）に変換する操作は反転対称操作と呼ばれ、この操作の前と後で結晶構造や磁気構造が変わる場合、「空間反転対称性が破れている」という。

（4）

マグノン：磁性絶縁体（絶縁体の磁⽯）中における磁気モーメントの揺らぎは、量⼦⼒学的な粒⼦としての性質を⽰す。この磁気モーメントの揺らぎに対応する粒⼦の代表例がマグノンである。

（5）

スピントロニクス：エレクトロニクスは、主に電流を⽤いて多彩な⾼速情報処
理⽅法を探求・構築する科学⼯学分野であり、スピントロニクスとは、エレク
トロニクス研究で⽣み出された⽅法に物質中の磁気モーメントに基づいた⽅法を融合して、より優れた情報処理⽅法を探求・構築する科学⼯学分野を指す。

（6）

直線偏光、円偏光（光の偏光）：光は振動する電場と磁場（電磁波）であり、偏光の⾃由度を持つ。光の伝搬⽅向と垂直⾯内での電磁場の振動を⾒るとき、その振動が直線的な場合を直線偏光と呼び、振動電磁場が垂直⾯内で円を描く場合を円偏光と呼ぶ。

【論⽂情報】
掲載誌： Physical Review Letters
論⽂タイトル：Large Photogalvanic Spin Current by Magnetic Resonance in Bilayer CrTrihalides
著者：Hiroaki Ishizuka and Masahiro Sato
DOI：10.1103/PhysRevLett.129.107201【問い合わせ先】
東京⼯業⼤学 理学院 物理学系

准教授

⽯塚 ⼤晃
Email: ishizuka@phys.titech.ac.jp
TEL: 03-5734-2488
千葉⼤学 ⼤学院理学研究院
佐藤 正寛
Email: sato.phys@chiba-u.jp

教授

【取材申し込み先】
東京⼯業⼤学 総務部 広報課
Email: media@jim.titech.ac.jp
TEL: 03-5734-2975

FAX: 03-5734-3661

千葉⼤学 企画部 渉外企画課 広報室
Email: koho-press@chiba-u.jp
TEL: 043-290-2018

FAX: 043-284-2550