東北大、核スピン由来のスピン流の検出に成功

東北大学は、原子核の自転運動であるスピン(核スピン)の共鳴運動から生じたスピン流を電圧として検出することに成功したと発表した。

同成果は、同大金属材料研究所の塩見雄毅助教(現東京大学大学院工学系研究科特任講師)とヤナ・ルスティコバ氏(大学院博士課程・日本学術振興会特別研究員)、同大材料科学高等研究所の齊藤英治教授(現東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻教授兼任)らの研究グループによるもの。詳細は学術誌「Nature Physics」オンライン版にて公開された。

スピントロニクスは、電子が持つ電荷だけでなく、電子が持つスピンをも利用して、情報の処理・伝達・保存を行う技術である。スピントロニクスにおいて、電子スピンの伝搬を担うスピン流は最も重要な物理量であり、これまで、金属中の伝導電子や磁性体中のスピン波をはじめ、さまざまなタイプのスピン流が発見されてきた。

スピンを持った粒子は電子以外に原子核がある。原子核のスピンは医療現場での大型検査機器などに使われる磁気共鳴イメージング法(MRI)に利用されているが、核のスピンを調べるには大きな磁場が必要であり、電子機器など身近なものではこれまでまったく利用されてこなかった。一方で、核スピンは、電子スピンよりも長い時間スピンの情報を維持できるといった特徴がある。今回の研究は、電子スピンと同じように、核スピンもスピントロニクスに利用できないかを試みた。

具体的には、炭酸マンガン(MnCO₃)という物質に着目。同物質は、磁化が反強磁性磁気秩序からわずかに傾いた弱強磁性体であり、非常に強い核スピンと電子スピンの相互作用があると言われる。この相互作用により、核スピンと電子スピンが連動し、核スピンという集団運動を作る。

実験では、MnCO₃に白金(Pt)を成膜したサンプルを使用。MnCO₃にラジオ波を照射して、核磁気共鳴を起こすと、この核磁気共鳴によってMnの原子核スピンが運動を始める。この核スピンの運動が核スピン波を作って電子スピンと結合することで、スピンポンピングと呼ばれる現象を通じて、Pt層にスピン流を作る。こうして作られたスピン流を、Pt層の逆スピンホール効果によって電圧として検出することに成功した。

図1 実験のセットアップの模式図(左)と、核スピン波の概念図(右) (出所:東北大Webサイト)

同研究によって、従来は核磁気共鳴法でしかその性質を知ることができなかった核スピンに、スピン流を使って電気的に調べられることを示したという。そのため研究グループでは、電子スピン同様に、核スピンを使ってもスピン流を作れることが示されたとしており、将来に向けて、核スピンをスピントロニクスという固体素子研究の枠組みに取り入れる可能性が拓かれたと説明している。