マイクロ波を用いた熱スピン注入技術の開発 －ワイヤレス・スピンデバイスの実現に期待－

　九州大学大学院理学研究院／量子ナノスピン物性研究センターの山野井一人博士、木村崇教授らの研究グループは、マイクロ波を用いて、ワイヤレスで選択的にスピン流を生成する技術の開発に成功しました。
　エレクトロニクスデバイスの更なる高性能化・高機能化の観点から、スピン角運動量の流れであるスピン流を用いたデバイスが注目されています。電子は、自転に似た性質によるスピンと呼ばれる物理量を持っていて、電子が流れると、電気の流れに対応する電流と同時に、スピン角運動量の流れに対応するスピン流が流れることになります。このスピン流をうまく制御することが、スピンデバイスを動作させるうえで最も重要な課題となります。同グループはこれまでに、CoFe系の合金を用いると、熱により巨大なスピン流を生成できることを報告していました。そこで今回、同物質にマイクロ波を照射することでスピンの集団運動を共鳴的に励起して、強磁性金属を効果的、且つ選択的に発熱させることで、高効率なスピン流生成を実現しました。
　強磁性金属の共鳴周波数は、材料や形状、外部磁場で調整可能なため、特定の周波数のマイクロ波を用いれば、選択的な加熱が可能になります。また、マイクロ波は空間を伝搬するため、配線の必要性がなく、更に、空間には使われていない膨大なマイクロ波が存在していることから、本素子を空間に置くことで未利用なマイクロ波を回収して動作するエナジー・ハーベスティングなスピンデバイスなどのへ応用が期待されます。
本研究は、文部科学省・新学術領域創成型研究「ナノスピン変換科学」、科学研究費補助金・基盤研究(S)（課題番号：25220605）、キャノン財団の支援を受けました。本研究成果は、米国物理学術雑誌「Physical Review Applied」誌のオンライン版に2017年 11月 15日（水)に掲載されました。

図１．強磁性共鳴発熱効果による熱スピン注入と選択的ワイヤレス・スピン注入技術の概念図

図２．6GHz のマイクロ波照射により、白金 (Pt) 両端に発生するスピンホール電圧の磁場依存性。発生電圧は、熱スピン注入により白金中に生成されるスピン流の強度に対応している。試料Aでは、発生した熱が効果的に白金側に流れるが、試料Bでは熱が基板側に逃げるため、白金側に流入する熱は小さくなる。その結果、観測されるスピン流は小さくなる。