新奇材料トポロジカル絶縁体中のスピン流を電気的に取り出すことに成功-次世代情報デバイスの実現に向けて大きく前進-

 安藤裕一郎 工学研究科助教、白石誠司 同教授のグループは安藤陽一 大阪大学産業科学研究所教授のグループらと共同で、半導体でも金属でもない新奇な材料として近年大きな注目を集めている「3次元トポロジカル絶縁体」なる材料の中で、流れるスピン流を電気的に取り出すことに成功しました。

 本研究成果は、米国化学会科学誌「Nano Letters」の電子版に11月1日に公開されました。

概要

 現代のエレクトロニクス産業はトランジスタに代表される半導体素子により支えられていますが、近年の地球環境問題の深刻化に伴い、低消費エネルギー論理素子の開発の重要性が増しています。素子の消費エネルギーを抑えるには、電子が物質の中を運動するときに発生するジュール熱を減らす必要がありますが、一つのアイデアとして電気信号の代わりに電子がもつ磁石としての性質(スピン)を使う「スピントロニクス」という新しい技術に大きな注目が集まっています。

 スピントロニクスデバイスの実現のためには、素子構成材料の開発が非常に重要ですが、最近の研究によってスピントロニクス素子の実現に資する新規材料として「トポロジカル絶縁体」という新しい性質を持った物質があることが分かってきました。

 そこで、本研究グループは、大阪大学で育成した3次元トポロジカル絶縁体Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3(BSTS=Bi:ビスマス、Sb:アンチモン、Te:テルル、Se:セレン)の単結晶試料を用いて電気的にスピン流の取り出しが可能な素子を作製しました。この3次元トポロジカル絶縁体とは、材料内部は半導体の性質を示す一方、材料表面は金属の性質を示す新奇な物質です。この表面金属部分では電子が極めて早く移動できるほか、情報伝播にエネルギーを消費しない永久スピン流が流れていると予測されています。さらに電流の印加方向によってスピンの向きを制御できるスピン流も生成できると期待されており、スピンを用いた新しいエレクトロニクスデバイスへの応用が期待されています。

 今回の研究では、トポロジカル絶縁体の金属状態に電流を流して生成したスピン流を通常の金属薄膜内(ニッケル鉄合金)に電気的に取り出すことに成功しました。また電流の印加方向によってスピンの向きを制御することにも成功しました。スピンを用いた次世代情報デバイスの実現に向けた極めて重要な成果です。

図:スピン流のスピンの向きと観測する電極のスピンの向きに対応する抵抗の変化
図:スピン流のスピンの向きと観測する電極のスピンの向きに対応する抵抗の変化

研究者からのコメント

安藤助教

 トポロジカル絶縁体は、ごく最近発見された新奇材料であり、未解明の物理現象が数多く内包されていると期待されています。 例えばトポロジカル絶縁体と一般的な金属との接合におけるスピン伝導現象は未踏領域であり、是非取り組んでみたい研究対象です。 最終目標であるスピントロニクスデバイスの実現に向けてトポロジカル絶縁体の物理を一つ一つ解明していきたいと考えています。

詳しい研究内容について

書誌情報

Yuichiro Ando, Takahiro Hamasaki, Takayuki Kurokawa, Kouki Ichiba, Fan Yang, Mario Novak, Satoshi Sasaki, Kouji Segawa, Yoichi Ando, and Masashi Shiraishi
"Electrical Detection of the Spin Polarization Due to Charge Flow in the Surface State of the Topological Insulator Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3"
Nano Letters 14 (11), pp 6226–6230 Published: October 20, 2014