大気中で動作するスピントロニクス材料の開発 〜グラフェンで保護されたスズ単原子膜〜

発表のポイント
◆グラフェンでカバーしたスズ単原子膜が真空中・大気中の両方でスピン偏極した電子の伝導を担うことがわかった。
◆本スズ単原子膜には、膜面内方向に寝たスピンをもつ電子と膜面垂直方向に起立したスピンをもつ電子の両方が存在していることを発見した。
◆グラフェンを保護膜として用いることで、従来真空中のみに制限されていたスピントロニクス材料が大気中でも使用できる可能性を示した。

東京大学物性研究所の矢治光一郎助教、小森文夫教授らは、九州大学大学院工学研究院のビシコフスキーアントン助教、田中悟教授らと共同で、グラフェン（注１）でカバーしたスズ（Sn）単原子膜がスピン偏極（注2）した電子の伝導を担うことを発見しました。さらに本物質は大気中でもその機能を損なうことがなく、実用的なスピントロニクス材料としての可能性を示しました。
近年、スピントロニクス技術への応用を期待して、固体表面のスピン偏極した電子状態について盛んに研究が行われています。スピン偏極した電子状態は大気中では酸素などとの反応によって簡単に壊れ、その機能が失われてしまいます。従って、これまで報告されている表面材料は機能を損なうような反応がおこらない真空中（注３）で取り扱うことを前提としていました。スピントロニクス材料として実用化するためには、性能を保持したまま大気中に取り出し、安定に動作することが必要であり、最大の課題となっていました。
本研究では、グラフェンでカバーされたSn単原子膜に大気中でも大きくスピン偏極した電子状態があることを発見しました。また、電子のエネルギーに依存して原子膜面内方向に寝たスピンをもつ電子と面直方向に起立したスピンをもつ電子が共存していることも初めて解明しました。これらを選択的に利用すれば三次元的な電子スピン制御が可能になります。
本成果は、グラフェンを保護膜として利用することで、これまで真空中でしか取り扱えなかったスピン偏極電子材料を大気中でも機能が保持されることを示し、実用的なスピントロニクス材料の開発を大きく前進させる成果といえます。
本成果は、2019年3月25日（米国東部時間）に米国科学誌「Physical Review Letters」でオンライン公開されました。

（図１）グラフェンでカバーされたシリコンカーバイド（SiC）基板上のスズ（Sn）単原子膜の側面図（左）と上面図（右）。上面図ではグラフェン層を省略している。Sn原子はSiC基板上で三角格子（上面図中の点線）を形成している。

（図２）Sn単原子膜の電子のエネルギーバンド構造。結合エネルギー1.5eV付近には面に垂直なスピンをもつ電子、茶色（左上）の点線内の結合エネルギー0~0.5eV付近には面内を向いたスピンをもつ電子がいる。