（独）物質・材料研究機構と（独）日本原子力研究開発機構は6月18日、次世代技術「スピントロニクス」の基盤材料とされる物質の電子状態を検出することに成功したと発表した。炭素原子が一層だけ平面上に並んだグラフェンで電子の磁石としての性質「スピン状態」を初めて検出、その制御に道を開いた。エレクトロニクスでは難しい素子の大幅な省電力化や高機能化につながると期待している。
■素子の省電力化・高機能化に道
電子は電荷と同時に、スピンと呼ばれる磁石としての性質を併せ持つ。エレクトロニクスはこのうち電荷を利用したものだが、スピントロニクスはスピンも利用する。その基盤材料と期待されるグラフェンの実用化には、材料中の電子のスピン状態を自由に制御する必要があるが、これまではその状態を検出することも難しかった。
研究グループは、磁性金属のニッケル単結晶薄膜の表面にグラフェン膜を形成、電子スピン状態の直接観測を試みた。グラフェンをスピントロニクスに用いるには、電極となる磁性金属と直接接合させてスピンの注入や輸送・検出をする制御技術の開発が重要課題とされている。そのために、まず磁性金属と接するグラフェンの電子スピン状態を明らかにすることにした。
実験では、スピン偏極準安定と呼ばれる不安定状態のヘリウム原子をグラフェン・磁性金属の接合体に照射した。ヘリウムは表面で跳ね返されてくるが、この過程でグラフェンと電子をやり取りし、電子を放出して安定な状態に戻る。この放出電子を詳しく調べた結果、グラフェンの電子のスピン状態が検出できた。これまでは、磁性金属の影響でグラフェンのみの電子スピン状態検出は困難だったが、今回、スピン偏極準安定ヘリウムを使うことで検出できることが確認できた。
研究グループは、今回の成果について「これまで困難だった二次元物質のスピン偏極の検出を可能にし、スピン物性の研究や素子開発を大きく進展させる」と話している。
