2017 Fiscal Year Research-status Report
原子層積層構造の空間反転対称性の制御によるスピン流の生成
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17K05484
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
明楽 浩史 北海道大学, 工学研究院, 教授 (20184129)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴浦 秀勝 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (10282683)
江上 喜幸 北海道大学, 工学研究院, 助教 (20397631)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | スピン流 / スピン偏極 / スピン分裂 / エーデルシュタイン効果 / スピン緩和 / スピンホール効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1) 電流を流すことによりスピン偏極が誘起される現象（エーデルシュタイン効果）をカーボンナノチューブ中のヨウ素原子からなる螺旋状原子鎖において理論的に研究した。エネルギーバンドのスピン分裂と電流誘起スピン偏極（z方向）を強束縛近似に基づきヨウ素原子p軌道内のスピン軌道相互作用を取り入れて計算し、螺旋構造の半径やピッチを変えることによりスピン偏極を大きく制御できることを明らかにした。半径とピッチがある関係を満たす螺旋構造では、絶対零度でp軌道を電子が1/2の割合で占有するフェルミエネルギーにおいて、(スピン偏極)／(電流)が無限大になることを見いだした。さらに軌道角運動量の偏極（z方向）の計算も行い、同じフェルミエネルギーにおいて無限大になることを明らかにした。エーデルシュタイン効果によるスピン偏極から生成されるスピン流は、磁化を効率的に制御することができるため応用上注目されている。我々の研究成果はスピン偏極を格段に増大させることにより磁化制御効率をさらに向上させる方法を示唆していると考えられる。
(2) 面方位が(111)のInGaAs/AlGaAsSb量子井戸では障壁層の組成を調節することによりRashbaとDresselhausスピン軌道相互作用の和を（面に垂直な電場の値によらず）ゼロにできることを示した。この成果を用いることによりスピン緩和を格段に低減できる。また、３重量子井戸におけるスピン緩和率のON-OFF比が100Kにおいても1000を越えることを示した。
(3) 外因性スピンホール効果において逆向きのスピン流が生じる２つの量子井戸を強く結合させるとスピン流が各層でゼロとなるが、この結合状態から逆向きのスピン流をもつ非結合状態へのクロスオーバーが運動量緩和により起こることを示した。また、エーデルシュタイン効果においても同様のクロスオーバーが起こることを示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
(1) 螺旋状原子鎖に関して、交付申請書の研究実施計画に記載した電流誘起スピン偏極の計算を完了し、螺旋構造とフェルミエネルギーを調節することでスピン偏極を格段に大きくできるという顕著な成果を得た。また、当初の研究実施計画には入っていなかった「軌道角運動量の偏極」の計算も実施し、スピン偏極が増大する条件のもとで軌道角運動量の偏極も増大することを明らかにした。
(2) 当初の研究実施計画には入っていないが強く関連する課題であるスピン緩和の制御について研究を実施し、「研究実績の概要」に記載したとおり「スピン緩和の低減」と「スピン緩和率のON-OFF比の改善」という成果を得た。
(3) 研究実施計画を作成した後に着想した「２層系の結合状態から非結合状態へのクロスオーバー」について研究を実施し、「研究実績の概要」に記述したように運動量緩和を考慮するだけでクロスオーバーが起きることを外因性スピンホール効果とエーデルシュタイン効果に対して明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
交付申請書に記載の研究実施計画では、今後「原子層の回転２層構造」と「原子層の螺旋構造」におけるスピン流の研究を実施する計画であるが、最近のこの研究分野の速い進展に鑑みて、次の２点に関しても研究を行うことを検討し今後の研究を推進する。
(1) 異なる種類の原子層を積層した系や、層ごとに歪みの異なる２層系が最近作製されている。これらの系のスピン流を研究することは、本研究課題の目的「原子層の積層構造を制御することによってスピン流を生成すること」に合致するので、これらに関する研究計画も検討する。
(2) バレーや層を記述する擬スピンの自由度がもたらす現象の発見や解明が最近進展している。代表的な例はグラフェンにおける電流誘起軌道磁化の観測である。グラフェンの電子状態がもつ磁気モーメントは２つのバレーで向きが逆であることから、ゼロでない軌道磁化が観測されたことは、バレー偏極が生じていることを示している。擬スピンもスピンと同様に情報処理に用いることが期待されているので、擬スピン偏極や擬スピン流に関する研究計画も検討する。
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