電子のスピンを駆動力とするナノモーターを提案し、量子論を構築 東北大学

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東北大学大学院理学研究科 助教の泉田渉氏は2022年1月5日、明治大学、仙台高等専門学校、東京大学、中国科学院大学とともに、電子の自転運動「スピン」を駆動力とするナノモーターを提案し、その駆動メカニズムに関する量子論を構築したと発表した。同研究は、微小機械の回転駆動に関する新技術へつながることが期待される。

研究では、アインシュタインらによって実験的に検証、発見された磁気回転効果に着目。磁気回転効果は、磁石の持つ磁気量を変化させると、その変化分に応じて回転運動が生じたり、磁石を回転させると磁気量が変化したりするという現象のことを指す。

この磁気回転効果は、磁性の起源が古典物理学で予想されていた電子の軌道運動由来の角運動量だけでは説明できず、後に量子論で存在が明らかになった電子の自転運動に相当する「スピン」と呼ばれる角運動量の存在を示唆した極めて重要な現象となる。現在は、電子の持つミクロな角運動量であるスピンと、マクロな物体の回転運動が相互変換される現象が磁気回転効果だと理解されている。

研究では、電子スピンを駆動力とするナノモーターの実現に向け、磁気回転効果による回転運動への変換を電流によって連続的に行う構造として、カーボンナノチューブと強磁性金属を電極とする構造と組み合わせる構造を提案した。

ナノモーターの回転駆動のシナリオを確認するために、電子スピンから回転子への角運動量移行に関する量子論を展開したところ、回転子は、回転軸がぶれない眠りコマ回転運動のほかに歳差運動をすることがわかった。安定した回転状態である眠りコマ回転運動を実現するには、歳差運動から眠りコマ回転運動への緩和過程が存在することが重要な役割を果たすことを見いだした。

近年の微細加工技術の進展に伴い、ナノスケールのモーターを駆動制御する技術の開発が注目されている。例えば、二層カーボンナノチューブと呼ばれる単層カーボンナノチューブの入れ子構造は、内側と外側のナノチューブがファンデルワールス力によって弱く結合しており、層間の距離を保ったまま内側のナノチューブだけを容易に動かせる。

内側のナノチューブを外側のナノチューブを軸受けとした回転子と見なせるため、この構造のナノモーター(ナノ回転子)への利用が提案されていたが、どのような動作原理でこのナノモーターを駆動するかに関する研究はほとんどされていなかった。

研究で明らかにした駆動機構は、カーボンナノチューブに限らず、小さな物体を回転駆動させる技術に広く応用できる。「強磁性体電極と電子のスピンを用いて駆動させる」という技術戦略は、ナノスケールの電気機械を回転駆動させる有力な方法として期待される。

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