東大など、レーザー光の偏光の制御で電子のスピンを自在に操作できることを実証

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東京大学とお茶の水女子大学は2017年2月24日、レーザー光の偏光の制御によって電子のスピンの向きを自在に操作できることを実証したと発表した。研究成果はスピン偏極電子源の設計・開発をはじめ、スピントロニクスや量子コンピューターへの幅広い応用が期待できる。

東京大学などの研究グループは今回、先端レーザーシステムを装備した三次元スピン分解光電子分光装置を用いて、レーザー光をビスマス(Bi)単結晶試料に照射した際に放出される電子のスピンが、レーザー光の偏光に対してどのように応答するかを詳しく調べた。

その結果、偏光が結晶の鏡映対称面に対して縦方向に入射すると、電子のスピンの向きが下向きになり、横方向に入射した場合は上向きになることが分かった。また、偏光方向を任意の角度(斜め)にした場合、上向きのスピンを持つ電子と下向きのスピンを持つ電子が同時に放出されることも判明した。

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同時に放出された電子は干渉し、最初とは異なる方向を向く。研究グループが確認したところ、その向きは偏光の回転角度と一対一に対応していた。つまり、レーザー光の偏光を回転させ角度を変えることで、電子のスピンの向きを任意の方向に操作できることが示された。

スピン偏極電子源にはGaAsを利用したものが多いが、スピンの向きを自在に操作できないという弱点がある。今回の研究成果は、その弱点を克服したスピン偏極電子源への道を拓くことが可能だ。

なお、研究グループは量子力学を用い、偏光の角度に対する電子のスピンの振る舞いを定式化。これにより、電子のスピンの操作がBi以外の系でも適用可能な一般概念であることを明らかにしている。

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