NTTなど、グラフェン量子ホール状態におけるスピン波の強度の検出に成功

NTTは12月8日、「グラフェン量子ホール状態」におけるスピン波発生過程を明らかにし、スピン波の電気的制御に関する知見を得ることに成功したと発表した。

同成果は、NTT 先端技術総合研究所、仏・CEA-サクレー研究所、物質・材料研究機構の国際共同研究チームによるもの。詳細は、英科学誌「Nature」系の物理学を扱った「Nature Physics」に掲載された。

近年、次世代半導体技術としてスピントロニクスの活用が模索されているが、実はその大半がスピンを持った電子の流れを利用しているため、結局のところ熱エネルギー損失の問題を解決できていないという。そうした背景の中、最近注目されるようになってきたのが、スピン波を粒子としての性質も持つ量子として扱い、制御することでデバイスへの応用を目指す技術である「マグノニクス」だという。マグノニクスの研究は、さまざまな物質で異なる機能が実現されているが、現在はまだメリット・デメリットが議論されている段階であり、実際のデバイス応用までにはまだ多くのブレークスルーが必要だという。

そうした中で、グラフェン量子ホール状態は、格子欠陥や不純物が少なく、スピンが完全に揃った絶縁体であるという点でクリーンかつシンプルな系であること、ならびにスピン状態を電気的に変化させることが可能なことなどから、スピン波の基本的な性質を研究するための理想的なプラットフォームとして注目されているという。研究チームは今回、グラフェンと六方晶窒化ホウ素、金属電極を積層し、微細加工することでp-n接合および電気測定用電極を作製し、磁場を印加することで、電子波干渉計を実現。この干渉計を通して測定される電流は、長さ1μmの干渉計の幅が0.1nm変化すると、電流値は70％程度変化するというレベルの高い感度を有しており、この特性を用いて、スピン波の発生過程や電気的制御に関する知見を得ることを試みたとする。

グラフェンp-n接合に沿って形成された電子波干渉計によるスピン波の検出のイメージ (出所:NTT Webサイト)

スピン波の特性が調べられた結果、スピン波は1個ずつランダムに生成されていることが判明。これは、スピン波が単なる波ではなく粒子としての性質も持つ量子(マグノン)であることの証拠だという。

(上段)スピン波の概念図。局在したスピンの揺れが波のように伝播していく。(中段)グラフェン量子ホール状態。(左)ν=1量子ホール状態では、スピンが完全に一方向に揃った絶縁体となる。(右)電子密度を変えることで、スピン偏極状態から非偏極状態まで変化させることができる。(下段)(左)光のマッハ・ツェンダー干渉計。試料を通過する際の位相の変化により、透過してくる光の強度が変化する。(右)グラフェンp-n接合を利用した電子のマッハ・ツェンダー干渉計。干渉計を貫く磁束量子の数により、透過してくる電流の大きさが変化する。そのため、磁場および干渉計の面積変化を高感度に検出可能 (出所:NTT Webサイト)

また、電子密度を調整することでスピンの状態を変化させたところ、スピン波のエネルギーが変化する様子を観測することにも成功。これにより、スピン波の電気的制御が可能であるということが示されたとしている。

(上)実験セットアップ概略図。金属電極(黄色)に電圧VEを印加することでスピン波が生成される。干渉計を透過した電流を測定することで、スピン波が検出される。(左下)電子波干渉計の透過電流。印加電圧VEがスピン波を励起するための最低電圧EZ/eを超えたとき、干渉パターンが変化している。(右下)位相および干渉強度のVE依存性。干渉強度が印加電圧に対し、指数関数的に減少するというポアソン分布の特徴が示されている。ポアソン分布は離散的な事象がランダムに起こるときに現れる確率分布であり、スピン波が粒子のように1個ずつランダムに生成されていることが示されている (出所:NTT Webサイト)

今回の成果について研究チームでは、グラフェン量子ホール状態というクリーンかつシンプルな系でのスピン波研究が可能となったことから、スピン波の速度や減衰メカニズムなどスピン波の基本的性質の解明につながることが期待されるとしているほか、マグノンの生成を制御することで、マグノンによる量子情報の伝送などへの応用も期待されるとしている。

(左)電子密度を変えたときの干渉強度の変化。電子密度を下げると、干渉強度が変化し始める電圧が減少している。これはスピン波のエネルギーが減少していることに対応。(中央)測定に用いた試料の顕微鏡画像。六方晶窒化ホウ素(hBN)に挟まれたグラフェンに多数の金属電極が取り付けられている。(右)試料の断面図。グラフェン、hBN、金属電極が積層された構造となっている (出所:NTT Webサイト)