【研究領域課題番号】20H00387 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

有機半導体 / スピン軌道相互作用 / スピントロニクス

【研究成果の概要】

本研究では、有機半導体におけるスピン軌道相互作用(SOC)の「制御」・「理解」・「機能化」を三位一体とし、スピンオービトロニクスを基盤とした革新的電子スピンデバイスの創成を目指す。SOCはスピン磁気モーメントと電子の軌道運動が生み出す磁場の相互作用である。無機個体におけるSOCの研究は古くから行われているものの、軽元素から構成される有機固体におけるSOCは意味だに未解明な部分も多い。本研究では、適切にSOC制御されたヘテロアセン分子群を用いて、革新的な電子スピンデバイス実装の足がかりとなる基盤研究を遂行してきた。ここでは、合成化学・凝縮系固体物理学・デバイス工学を包括的に組み 合わせることでのみ実現する有機スピンオービトロニクスの学理を整備し、有機半導体ならではのフレキシビリティや低温・塗布プロセスの強みを活かした革新 的な基盤技術・マテリアルサイエンスへと展開する。 研究二年次では、従来溶液中の孤立分子でのみ計測されていなかったSOCを固体薄膜において実測する手法の開発を進め、含カルコゲンヘテロアセン材料を対象にSOCの定量化に到る方法論を確立を進めた。SOCの理論的なアプローチは密度汎関数計算をベースに下位幸弘と共に行った。並行し て、代表者である渡邉は、スピン機能性の計測を行うためのデバイス作製手法の開発や、測定系の構築を行い、有機半導体のSOCを統一的に理解するためのツール を整備した。特に、極低温における磁気抵抗効果からSOCの強さを電気的に検出可能な道筋も経ちつつあり、顕著な成果が得られつつある。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2020-04-01 - 2025-03-31

【配分額】45,370千円 (直接経費: 34,900千円、間接経費: 10,470千円)

【研究領域課題番号】18K14112 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / 超伝導 / スピントリプレット / スピン軌道相互作用 / 磁性

【研究成果の概要】

本研究では、超伝導スピントロニクスを目指して、強いスピン軌道相互作用を持つタングステンにおいてみられる超伝導状態について研究を行った。その結果、タングステンの超伝導状態においては、通常のスピンシングレットの超伝導体においてみられるスピン吸収の抑制がみられないことが明らかになった。また、窒化モリブデンとの積層構造においては、超伝導転移温度の上昇がみられることがわかった。更に、強磁性体コバルトとの近接効果を調べたところ、タングステン上では窒化モリブデンに比べて臨界磁場が大きくなることが明らかになった。

【研究の社会的意義】

社会の情報化が高度に発展する中で、従来の半導体デバイスを超えるような高効率な情報処理方法が模索されている。その中で現れてきたスピントロニクスや量子情報といった分野に貢献するべく、本研究は行われた。今回取り扱った超伝導体におけるスピン輸送については新たな情報処理技術につながる可能性があるものの未解明な部分があり、本研究の成果はその理解を進めることになると期待される。

【研究種目】若手研究

【研究期間】2018-04-01 - 2020-03-31

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究分野】応用物性

【研究領域課題番号】16H06332 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / 磁性 / 表面・界面物性 / 超薄膜 / スピン軌道相互作用 / 垂直磁気異方性 / 軌道分光 / 第一原理計算 / 表面・界面

【研究成果の概要】

界面原子層成長制御、磁気分光、第一原理計算を結集することにより、界面スピン軌道結合を微視的に解明し、その学術基盤の構築とデバイス応用を狙った。まず、教科書の記述の更新につながる成果としては、界面磁気異方性の微視的理解であり、物質系ごとに軌道磁気モーメントの異方性と軌道四極子それぞれの役割を直感的理解とともに明らかにした。界面原子層成長制御が一層の進歩を遂げ、室温の世界記録となる異方性トンネル磁気抵抗効果や、Fe/MgO/Fe(001)接合のトンネル磁気抵抗効果の倍増にも成功した。この他、可逆歪場を利用した新規磁気分光法や、Rashba型スピン軌道相互作用に関する成果も得た。

【研究の社会的意義】

界面の研究では、試料品質によって結果が大きく異なってくることが多い。本研究では、高品位試料作製技術と磁気分光、理論解析が一体化することによって、well-definedな界面での研究を可能とし、界面でのスピン軌道結合の微視的理解を推し進めた。教科書の改訂につながる成果を挙げており、学術基盤の構築という意義を有する。社会的意義としては、従来よりもはるかに大きなTMRやTAMRを実現しており、今後のスピントロニクス応用における貢献が期待できる。省エネやAI技術を含む次世代情報通信技術に資するものである。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2016-05-31 - 2021-03-31

【配分額】188,500千円 (直接経費: 145,000千円、間接経費: 43,500千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】15H06133 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

非相反電荷輸送現象 / 空間反転対称性の破れ / スピン軌道相互作用 / 極性 / ラシュバ系 / カイラリティー / スピントロニクス / スピン流

【研究成果の概要】

ラシュバ型バンド構造を持つ極性半導体BiTeBrにおいて、結晶の空間反転対称性の破れに起因する電流の非相反性を検出することに成功した。観測された非相反電荷輸送現象は極性構造に特有の磁場・電流方位選択則を見たし、シグナルのキャリア数依存性や温度依存性から微視的機構を明らかにした。
また、非相反電荷輸送現象をカイラリティーを持つ物質に拡張し、特にWS2カイラルナノチューブの電界誘起超伝導相において巨大な超伝導電流の非相反伝導効果が生じることを発見した。結晶カイラリティーの超伝導への影響を初めて実証すると同時に、非相反超伝導現象が特徴的な形状による量子干渉効果の影響を受けることも見出した。

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2015-08-28 - 2017-03-31

【配分額】2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)

【研究分野】応用物性

【研究領域課題番号】26220604 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピン流 / スピン軌道相互作用 / スピントロニクス

【研究成果の概要】

本研究は、スピン軌道相互作用を基軸とした新原理の電子技術構築に向け、スピン流－電流変換の体系的理解と制御・増大手法の確立を目指すものである。本研究により、非線形領域まで含めた界面スピン変換の体系的理解が得られるとともに、界面及びバルクスピン軌道相互作用により発現する電流－スピン流変換の新現象が明らかとなった。さらに、酸化・有機分子・イオン液体を用いたこれまでにないアプローチによって、スピン流変換の電気的・光学的制御機構を発現させることに成功した。

【研究の社会的意義】

スピンベースの電子物理・技術の基盤はスピン流の生成と変換である。本研究により得られたヘテロ界面におけるスピン流生成現象の体系的理解は、近年発見が相次ぐ、界面スピン流変換によって駆動されるスピントロニクス現象の基礎となるものであり、大きな学術的波及効果が期待できる。さらに、酸化・有機分子を用いたこれまでにないアプローチによって得られたスピン流変換に関する新現象と制御原理に関する知見は、スピン流変換を基軸とした新たなスピン流デバイス機能実現へのルートを拓くものである。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2014-05-30 - 2019-03-31

【配分額】195,000千円 (直接経費: 150,000千円、間接経費: 45,000千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】26870086 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

トポロジカル絶縁体 / トポロジカル結晶絶縁体 / スピン軌道相互作用 / 2次元伝導 / メゾスコピック / 光電子分光 / 磁性 / MBE / 角度分解光電子分光 / 磁性半導体 / 狭ギャップ半導体 / ワイル半金属 / 時間反転対称性 / スピントロニクス / 半導体 / 弱反局在効果 / ディラックコーン / 強磁性

【研究成果の概要】

本研究ではトポロジカル結晶絶縁体(TCI)において、その鏡映対称性がもたらすトポロジカル表面状態（TSS）について、磁性元素の添加による影響を探ることを目指した。まずは高品質単結晶薄膜SnTeにおいて2次元弱反局在効果を観測し、それがTSS由来であることを明らかにした。また補償元素Sb添加を行った所、バルクキャリア低減と、さらにp型・ｎ型両タイプの作製に成功した。その試料において角度分解光電子分光測定を行った結果、TSS由来のディラックコーンの観測に成功した。またSnTeへの磁性元素Mnのドーピングによって強磁性化することにも成功し、低Mn濃度試料では強磁性とTSSが両立しうることを示した。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】26287071 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

トポロジカル絶縁体 / スピン分解光電子分光 / スピントロニクス / 表面・界面物性 / 光電子分光 / スピン軌道相互作用 / ラシュバ効果 / スピンエレクトロニクス

【研究成果の概要】

固体中で動く電子は、スピン軌道相互作用や結晶の対称性により様々な方向に向くスピンを持つ。本研究ではスピンと運動量の関係が重要な影響を持つ高機能物質の電子状態を解明するために、スピン分解ARPES装置の改造と、これを用いた電子構造研究を行った。その結果、ワイル半金属の表面フェルミアーク、希薄磁性半導体GaMnAsのAsホールバンド、重金属薄膜の１次元エッジ状態、線ノード半金属の表面状態などの電子状態の観測に成功した。これらの成果から、新規トポロジカル物質相の開拓、およびGaMnAaの強磁性機構の解明に成功したと結論した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】15,470千円 (直接経費: 11,900千円、間接経費: 3,570千円)

【研究分野】応用物性

【研究領域課題番号】25706017 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / スピン軌道相互作用 / ヘテロ構造 / スピン流 / スピンエレクトロニクス

【研究成果の概要】

スピンホール磁気抵抗効果を利用し、5d遷移金属のスピンホール角の大きさを調べた結果、スピンホール角は5d遷移金属の構造に大きく依存し、多くの材料でアモルファス構造が大きな値をもつことがわかった。また、スピンホール磁気抵抗の温度依存性からスピンホール角を正確に決めるためには、強磁性金属層への縦スピン吸収を考慮しなければならないことを明らかにした。さらに、電流誘起有効磁場のベクトル分解測定とその温度依存性から、非磁性/強磁性界面におけるスピンミキシングコンダクタンスが特異な値を持つことがわかった。さらにこの界面では、物質の組み合わせによってジャロシンスキー守谷相互作用を制御できることがわかった。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】24,830千円 (直接経費: 19,100千円、間接経費: 5,730千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】25400317 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

トポロジカル原子層物質 / トポロジカル絶縁体 / スキルミオン / スカーミオン / トポロジカル・ソリトン / ワイル半金属 / トポロジカル相転移 / ループ・ノード半金属 / トポロジカル物質 / 砂時計フェルミオン / マルチ・バンド・タッチング・フェルミオン / ノンシンモルフィック対称性 / ディラック半金属 / バレートロニクス / 原子層物質 / トポロジカル散逸構造 / トポロジカル超伝導体 / マヨラナ粒子 / シリセン / Skyrmion / フォスフォレン / 量子スピンホール効果 / スピン軌道相互作用 / スピントロニクス / トポロジカル・エレクトロニクス

【研究成果の概要】

シリセン、ゲルマネン、スタネンをはじめとするトポロジカル原子層物質の物性を研究した。電場や光照射による様々なトポロジカル相転移を明らかにし、トポロジカル電界効果トランジスターなどのトポロジカル・デバイスを提案した。第五族や第三族の原子層物質の電子物性の研究も行った。具体的には燐の原子層物質であるフォスフォレンのエッジ状態を明らかにした。ヒ素の原子層物質であるアルセネンやアルミニウムの原子層物質であるアルミネンのバンド構造を世界に先駆けて第一原理計算を用いて明らかにした。
また、磁性体中のトポロジカル・ソリトンであるスキルミオンの非平衡ダイナミクスも数値シミュレーションを用いて解析した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2013-04-01 - 2017-03-31

【配分額】4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】25247051 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / 超伝導トランジスタ / 希薄磁性半導体 / 超伝導近接効果 / スピン３重項超伝導 / アンドレーフ反射 / 量子ホール効果 / スピン軌道相互作用 / グラフェン / 二硫化モリブデン / スピンホール効果 / スピン注入 / スピン拡散長 / マヨラナフェルミオン / スピンエレクトロニクス / 超伝導-半導体接合 / トポロジカル超伝導

【研究成果の概要】

近接効果により２次元電子系内に生じた超伝導電流を，スピンホール効果によってスイッチすることに成功した．また，このような超伝導接合が，トラップ磁束によって0接合からπ接合へと変化する現象を見出した．希薄磁性半導体(In,Fe)Asを近接効果で超電導状態にし，これがスピン３重項超伝導である可能性が高いことを見出した．
スピン軌道相互作用が強い系の量子点接合で強いスピン偏極が起こることを検証し，特に単伝導度量子プラトーでの偏極を初めて検証した．
この技術を用いてスピン軌道相互作用が強い系に，スピン偏極した電子を注入することで，相対論的電子に特徴的なZitterbewegung現象を検証した．

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】44,070千円 (直接経費: 33,900千円、間接経費: 10,170千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】23360001 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / メゾスコピック物理 / ラシュバ効果 / スピン軌道相互作用 / 半導体量子井戸 / 化合物半導体 / スピンデバイス / スピン物性 / メソスコピック系 / 弱局在 / スピントロにクス / AAS効果 / 半導体スピン物性 / 半導体二重量子井戸 / ドレッセルハウス効果 / 半導体スピントロニクス / III-V化合物半導体 / バンドエンジニアリング / メゾスコピック系

【研究成果の概要】

InP格子整合系InGaAs量子井戸に関して、ゼロ磁場スピン分離項を定量的明らかにした。これまで定量的な解明に至らなかったRashba項の存在を初めて明確に示すとともに、その大きさについても定量的な解明を行った。具体的には、極低温での磁気伝導度に見られる弱反局在効果の理論解析により、Rasha係数αと井戸内電場<Ez>の間の厳密な比例関係を示すことに初めて成功した。また、この系でのDresselhaus項が非常に小さいことも同時に明らかにした。更に、ゲートにより<Ez>が正負に変化するウェハ上に作製したメゾ系ループ配列構造での時間反転量子干渉効果を測定し、半古典理論モデルの有効性を実証した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2011-04-01 - 2014-03-31

【配分額】20,540千円 (直接経費: 15,800千円、間接経費: 4,740千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】22560004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / スピン軌道相互作用 / ナノワイヤ / ネルンスト熱電能 / ビスマス / InGaAs系 / シュブニコフ・ド・ハース振動 / 熱電能 / 量子振動 / モットの関係 / スピン流 / ネルンスト効果 / フォノンドラッグ

【研究成果の概要】

固体物質中のキャリアにスピン軌道相互作用が働く場合、その物質に熱伝導を与えると、熱流に垂直にスピン流が現れるスピンネルンスト効果が起こる可能性がある。我々は、スピン軌道相互作用が働くナノスケールの物理系の電子状態を調べ、材料に熱伝導を与えたときの輸送現象に対する不純物の効果とフォノンドラッグ効果を理論的に考察した。また、ワイヤ径が数百nm程度のBi単結晶ナノワイヤを製作し、その電子物性を測定した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】21560001 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / 輸送理論 / 非平衡グリーン関数 / スピン軌道相互作用 / 物性理論 / スピン・軌道相互作用 / Beyond CMOS

【研究成果の概要】

本研究課題では、強磁性薄膜のエッジ間に有機分子を挟んだスピン量子十字構造素子なる新規なデバイスを提案し、そのスピン伝導特性について非平衡グリーン関数を用いて理論的に調べた。また、プロトタイプのデバイスを作成し、実験結果と比較することによって理論の検証を行った。研究の結果、アンダーソン・ハミルトニアンを用いて、スピン伝導の一般式を得ることに成功した。同時にプロトタイプのスピン量子十字構造素子を作成することに成功し、理論と実験の良い一致が得られた。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2009 - 2011

【配分額】4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)

【研究分野】マイクロ・ナノデバイス

【研究領域課題番号】20241033 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントランジスタ / スピン注入 / スピントロニクス / 量子計算 / 量子ドット / 量子もつれ / スピン / インジウム砒素 / スピン軌道相互作用 / スピンブロッケード / 量子計算機 / 量子ビット / InAs

【研究成果の概要】

インジウム砒素系化合物半導体と鉄電極界面における界面反応により生成される化合物がスピン注入効率をブロックしていることを界面の相図を調べることにより探索した。鉄系のスピン源を用いて観測されたスピントランジスタの電流振動が理論計算とよく一致していることを確認した。金コロイドを用いるインジウム砒素ナノワイヤの結晶成長の最適化を応用してナノワイヤスピントランジスタを作製し、スピン軌道相互作用に起因すると思われる電流変調を観測した。量子ドットを集積したスピントランジスタ構造の量子計算機デバイスにおいてスピン注入効率が最大40%(実績37%)のFe/InAs強磁性/半導体ハイブリッド系では、スピンチャンネル/量子ドット系による量子もつれの実証はむずかしいこと、60%以上のスピン注入効率で有意差が見られ、80%程度のスピン偏極率があれば、明瞭に量子もつれが観測できることを理論的に予測できた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】48,620千円 (直接経費: 37,400千円、間接経費: 11,220千円)

【研究分野】数理物理・物性基礎

【研究領域課題番号】17654073 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ネルンスト効果 / 熱流磁気効果 / ビスマス / メゾスコピック系 / 量子ホール効果 / 不純物散乱 / エッティングスハウゼン効果 / スピン軌道相互作用 / スピントロニクス / 非可換ゲージ場理論 / エッジ電流 / ネルンスト係数 / 非平衡定常状態 / 熱電能

【研究成果の概要】

我々は、2次元電子系がメゾスケールの大きさである場合、強磁場下で系のネルンスト係数に量子振動が見られる(量子ネルンスト効果)ことを平成17年度から平成18年度にかけて線形応答理論を用いた理論計算で示していた。平成18年度にフランスのグループ(Bhenia, et. al. ESPCI, Paris)から、ビスマス(Bi)単結晶のネルンスト係数およびエッチングスハウゼン係数の測定結果が発表され、ネルンスト係数の量子振動が現実の系で示された。我々はこの実験結果の検討を行い、試料の3次元性の効果を取り入れた理論拡張を行った。我々は磁場中の3次元バリスティック系を考え、運動の自由度を磁場に垂直な2次元面内の自由度と磁場に平行な自由度に分け、2次元面内の運動成分は有限サイズのバリスティックなものと見なしてネルンスト係数を考察した。その結果、3次元系でもネルンスト係数の量子的な振動が現れ、ネルンスト係数のピークは弱磁場側に尾を引く左右非対称の形を持つことが分かった。この形はBiの実験結果と一致する。このように、量子ネルンスト効果が3次元系において理論・実験両面から確認された。一方、Biのネルンスト係数のピークは実験値が理論値に比べ非常に大きい。この原因の理論的解明は今後の課題として残っている。
我々は量子ホール系における輸送係数の基本関係に関しても考察を行った。従来、電気伝導度テンソルの非対角成分の磁場微分と対角成分との間では線形な関係式が提案され、研究が進められていた。我々は線形応答理論を用いて量子ホール系の輸送係数を理論・解析的に導出し、成分間の関係が非対角成分の磁場微分と対角成分の二乗が比例する非線形な関係であることを示した。この理論では、電子の不純物散乱により、ランダウ準位近傍の電子状態密度がローレンツ型になると仮定している。我々はGaAsによる実験結果を用いて、数テスラ程度の磁場のもとでこの関係が良く成立していることを確かめた。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2005 - 2007

【配分額】2,900千円 (直接経費: 2,900千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】16740167 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピンエレクトロニクス / スピンホール効果 / エッジ状態 / トポロジカル秩序 / スピン流 / ビスマス / 表面状態 / グラファイト / ベリー位相 / スピントロニクス / フォトニック結晶 / スピン軌道相互作用 / p型半導体 / 電気分極 / ゲージ場

【研究成果の概要】

電場でスピン流を誘起する効果(スピンホール効果)について、本年度は特に量子スピンホール相に着目し研究した。量子スピンホール相とはトポロジカル秩序の一種で、非磁性絶縁体であるが非自明なトポロジカル数を持ち、不純物等に対して安定な表面状態を持つ。こうした相は理論的に提唱されたものの、実験と関連づけられる系はまだないため、その候補となる物質探索を行った。前年度研究代表者が発見したように、絶縁体でのスピンホール効果は帯磁率と関連づけられるため、反磁性帯磁率の大きいビスマスについて、薄膜の場合にトポロジカル数の計算やバンド計算を行い、2次元系では量子スピンホール相になることを提案した。3次元での表面状態等の実験との比較を行い、半金属ビスマス、アンチモンやそれらの合金が量子スピンホール相の候補となることを理論的に提案した。本結果を実験研究者や第一原理研究者へと提案し、実験的検証に向け研究を進めている。
上記とも関連して電荷のポンピングの研究も行った。異常ホール効果やスピンホール効果と、電荷のポンピングとは一見全く異なっているが、理論的な枠組み(ベリー位相の物理)は類似しており同様の方法論を使うことができる。特に今年度は不純物の多い1次元系について、ベリー位相によるトポロジーの効果が、(不純物の存在下でも)電荷ポンピングに強く影響することを実証した。
また光でも同様の現象が研究代表者らにより前年度に予言された。この光のベリー位相の物理について、今年度は精密な定式化を行い、媒質界面やフォトニック結晶内での光線のシフトを計算した。またX線についても、ベリー位相の効果が顕著になる例を発見した。それは歪んだ結晶中をX線波束が進む場合に、歪みの大きさよりも何桁も大きく波束がシフトするというものであり、これは最近実験的に観測されつつある。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2004 - 2006

【配分額】3,100千円 (直接経費: 3,100千円)