スピン流を長距離かつ高効率に輸送できる新たな材料を発見 東北大ら

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東北大学は2019年10月18日、東京大学らと共同でスピントロニクス材料として利用することが難しいと考えられていた常磁性絶縁体ガドリニウムガリウムガーネットが、スピン流を伝播する有用な材料になりうることを実証したと発表した。

スピン流とは、電子の自転(スピン)に由来する磁気の流れのことだ。金属中では伝導電子がスピン流を担い、強磁性体の中でスピン流を伝播するには、スピンの向きが一方向に揃うこと(磁気秩序)が不可欠だ。

スピンの向きがバラバラな状態である常磁性は、磁気秩序によるスピン流輸送は期待できない。特に電気を通さない常磁性絶縁体は、伝導電子も磁気秩序も活用できないため長距離にスピン流を流すことは不可能であるとこれまで考えられてきた。

今回の研究では、常磁性絶縁体であっても、物質内の微弱な原子磁石の間の相互作用を利用することによってスピン流を長距離に流すことができ、しかも同じ温度で強磁性体を用いた場合よりおよそ8倍効率的に流せることを発見した。

なお、原子磁石間の相互作用とは、物質中の原子が磁石のようにS極とN極を持ち、それが互いに同じ極だと反発し、違う極だと引き合う作用のことをいう。

研究グループは、常磁性絶縁体ガドリニウムガリウムガーネットGd3Ga5O12(GGG)に注目。GGGは常磁性絶縁体で、物質内のスピンの力が大きいことが知られている。外部磁場によってスピンの方向を一部揃えることで、微弱ながら原子磁石の間の相互作用が期待できるという。

実験では、GGG上に2つの白金(Pt)細線を取り付け、一方の細線に電流を流しスピンホール効果を通じて、GGGにスピン流を注入し、もう一方の細線には電圧計を取り付けた。GGGの中をスピン流が伝播して出力細線に到達すると、Pt中の逆スピンホール効果による電圧が生じると考えた。

出力細線の電圧の磁場依存性をさまざまな温度で調べたところ、GGGは常磁性であるにも関わらず、低温(5K)において磁場をかけると、明瞭な起電力信号が観測された。

信号を理論モデルで解析したところ、GGG中では従来にない高効率かつ長距離に渡ってスピン伝導が起きていることが明らかになった。

さらに、温度を上昇させるとGGG中のスピン流が100Kという比較的高い温度まで長距離に渡って伝播していることが分かった。これはGGGが完全な常磁性体であってもスピン流を伝播していることを示すという。

磁気秩序がない材料であっても、スピン流が伝播できることが実証されたことで、スピントロニクス分野では強磁性絶縁体のみならず、常磁性絶縁体も有力なスピントロニクス材料として利用する道が拓かれたとしている。

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