2019 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 / スピンフィルター / エーデルシュタイン効果 / スピンホール効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1) DNAやオリゴペプチドなどの多くの螺旋状有機分子において観測されているスピン選択性に対する共通の機構を解明することを目的として、螺旋状原子鎖に対して電流誘起スピン偏極、電流誘起軌道角運動量偏極、螺旋状原子鎖スピンフィルターに対してスピン偏極電流の計算を行った。その結果、電流によって時間反転対称性が破れたときに発生する軌道角運動量偏極は原子鎖の曲率が小さい領域において曲率に比例することを明らかにし、電流誘起軌道角運動量偏極が曲率の存在が原因で生じること、曲率によって制御可能であることを示した。一方電流誘起スピン偏極は、曲率とスピン軌道相互作用（原子内LS結合）の両方が原因で生じることを明らかにした。スピンフィルター効果により発生するスピン偏極電流はこの電流誘起スピン偏極によって生じると考えられる。実際、螺旋状原子鎖の電流のスピン偏極率は曲率と原子内スピン軌道相互作用によって制御可能であることが明らかになった。この研究成果は有機分子のようにスピン軌道相互作用が小さい軽元素からなる物質でも曲率を大きくすることで十分大きいスピン流を生成することが可能であることを示唆している。
(2) シリセンなどのIV族元素からなる原子層に垂直に電場を加えて空間反転対称性を破った系について、電流誘起スピン偏極を強束縛モデルにより計算した。強束縛モデルのパラメタは第一原理計算により決定した。電流誘起スピン偏極はフェルミエネルギーを変えることで符号を反転することを見出した。
(3) 逆向きの有効磁場が生じる二重量子井戸においてスピン緩和への井戸間トンネル遷移の影響をDyakonov-Perel機構のスピン緩和について調べ、スピン緩和率が井戸間トンネル遷移強度とともに減少すること、すわわち井戸間トンネル遷移がスピン緩和を抑制することを明らかにした。
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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) 平成２９年度の研究実施計画［螺旋状原子鎖の電流誘起スピン偏極］と平成３２年度（令和２年度）の研究実施計画［グラフェンの螺旋構造］［遷移金属ダイカルコゲナイドの螺旋構造］に関連して、様々な系に共通のスピン偏極流発生の機構の重要な手がかりが得られたため今後の研究を格段に推進できると期待している。なぜなら、螺旋状原子鎖の電流誘起スピン偏極において明らかになった「原子鎖の曲率が軌道角運動量偏極をもたらし、軌道角運動量偏極がスピン偏極を生成する」という機構は、様々な系の電流誘起スピン偏極とそれに伴うスピン流を説明すると期待される重要な成果であると捉えているからである。このように平成３０年度に引き続き令和元年度も当初予期していなかった成果が得られた。
(2) 交付申請書に記載の平成３０年度の研究実施計画［グラフェンの回転２層構造(twisted bilayer graphene)］および平成３１年度（令和元年度）の研究実施計画［遷移金属ダイカルコゲナイドの回転２層構造］に関連して、シリセンなどのIV族元素からなる原子層に垂直に電場を加えて空間反転対称性を破った系について電流誘起スピン偏極を制御する方法を見出し、原子層をもとにしたスピンフィルターの提案の手がかりが得られたため、今後の研究を格段に推進できると期待している。この点についても令和元年度は当初予期していなかった成果が得られた。
以上の理由により、本研究課題は当初の計画以上に進展していると評価した。
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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「原子層の螺旋構造」におけるスピン偏極と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点に関して研究を行うことを検討し今後の研究を推進する。
(1) 螺旋状原子鎖において明らかになった「原子鎖の曲率が軌道角運動量偏極をもたらし、軌道角運動量偏極がスピン偏極を生成する」という機構を基にして原子層スピンフィルターを提案するため、原子層における電流誘起スピン偏極と原子層積層構造におけるスピン偏極電流の研究を進める。
(2) バレーや層を記述する擬スピン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バレーホール効果の観測とバレーフィルターの提案である。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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| Causes of Carryover |
次年度は博士後期課程の学生が３名になることで成果発表に用いる旅費を十分に確保しておく必要があることから、今年度使用額を計画的に抑制したため次年度使用額が生じた。
次年度使用額は、博士後期課程学生３名、修士課程学生３名および研究代表者が日本物理学会と国際会議において成果発表を行う際の旅費に用いる計画である。
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