磁性絶縁体を用いて、グラフェンの電子スピンの向きを制御する新技術を開発――スピントランジスタの実現に向け前進

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量子科学技術研究開発機構、物質・材料研究機構(NIMS)、筑波大学、慶應義塾大学らの研究グループは2018年4月4日、グラフェン回路を用いたスピントランジスタの実現に不可欠な、電子スピンの向きを制御する新技術を開発したと発表した。今後は情報機器による電力消費の削減や、充電の必要がない携帯端末などの情報通信機器の実現が期待できるとしている。

電子が持つ電荷と電子のスピンという性質を利用する新技術「スピントロニクス」が次世代情報技術の主役となるためには、演算デバイスへの応用が望まれており、中でも回路内を流れる電子のスピンの向きを制御することで情報の処理を行うスピントランジスタの実現は、スピンを用いた演算デバイスの実用化に不可欠となる。

グラフェンは、従来の金属や半導体と比較してスピンを長距離かつ高速に運べることから、演算デバイスに用いるスピンの導線の材料として注目されている。グラフェンを用いたスピントランジスタを実現するためには、グラフェンの中を流れる電子のスピンの向きを人為的に制御するスピン操作の技術が必要となるが、これまで有効なスピン操作技術は確立されていなかった。

グラフェンは磁性を持たず、スピン軌道相互作用も極めて弱いため、研究チームは電流が流れない絶縁体の性質を持つ磁性体をグラフェンと貼り合わせることで、磁性絶縁体からの作用によってグラフェンを流れる電子のスピンの向きを制御できないかと考えた。そこで、絶縁体の性質を持つ磁性体としてイットリウム鉄ガーネット(YIG)に着目して実験を行った結果、電流が流れない磁性絶縁体でグラフェンの中のスピンの向きを制御する新技術の開発に成功した。

スピン操作技術というスピントランジスタの鍵となる技術が開発されたことで、今後はグラフェンを用いた高速・省エネなスピントランジスタの実現や、それを用いたスピン演算デバイスの実用化が期待できるとしている。

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