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ナノテク情報

物性・原理

スピン流が機械的な動力を運ぶことを実証 ~ミクロな量子力学からマクロな機械運動を生み出す新手法~

 国立研究開発法人科学技術振興機構(JST),同日本原子力研究開発機構(JAEA),東北大学,国立研究開発法人理化学研究所(理研),及び東京大学は2019年6月13日,JST戦略的創造研究推進事業において,ERATO齊藤スピン量子整流プロジェクトの針井 一哉研究員(JAEA先端基礎研究センター特定課題推進員),齊藤 英治研究総括(研究当時 東北大学金属材料研究所・材料科学高等研究所教授,現東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻教授兼任),前川 禎通グループリーダー(理化学研究所創発物性科学研究センター上級研究員)らの研究グループが,マイクロメートルスケールの磁性絶縁片持ち梁(カンチレバー)を作製し,そこに磁気の流れであるスピン流を注入することでカンチレバーを振動させることに成功した,と発表した.スピン流が運ぶミクロな回転がマクロな動力となることを実証したもので,本成果は,英国科学誌Nature Communicationsオンライン版で公開された(注).

 電子は,電気と磁気の2つの属性を持ち,現代の情報社会を支えるエレクトロニクスは電子の流れである電流をもとに組み上げられてきた.これに対し,物質の磁気的な性質は電子の自転に基づくスピンに強く関わり,「磁気の流れ」にあたるスピン流は,電流と同じように情報を伝送するキャリアなり,次世代メモリーである磁気ランダムアクセスメモリー(MRAM)など,スピントロニクスの研究開発が進んでいる.一方,スピンは電子の自転に基づくから,力学としてみたらミクロな回転という属性を持つとみられる.スピン流によって物体の回転運動をはじめとするマクロな機械運動を引き起こすことはできないか,研究グループはスピン流による機械運動の発生に挑戦した.

 まず,スピン流が流れやすいイットリウム鉄ガーネット(YIG:Y3Fe5O12)結晶の一部を,集束イオンビーム(FIB)でカンチレバー構造に加工した.次に,カンチレバーの根元部分には,スピン流検出用の白金(Pt)細線からなるヒーター(熱源)を形成した.カンチレバーは固有の共振周波数を持ち,環境からのノイズにより,22.80kHzに0.2nm程度の小さな振動のピークを示す.9.4mTの交流磁場 (fac=3.001kHz)をカンチレバーの軸と直交する方向に印加し,Pt細線に600μAの交流電流(fH=19.792kHz)を流して根元部分を加熱すると,スピンゼーベック効果により,スピン流がカンチレバーに注入される.するとカンチレバーの振動特性には,22.79kHz(fH+fac)付近に約1.7nmの鋭い振動ピークが現れ,スピン流によるトルクがカンチレバーの機械的上下振動に変換されたことが確かめられた.

 本成果は,純粋なスピン流がマイクロデバイスに機械的な動力を運ぶことを実証したもので,電気配線なしで振動を起こせるため,配線が困難なマイクロ機械デバイスの動力に応用できる可能性があるとしている.

(注)Kazuya Harii, Yong-Jun Seo, Yasumasa Tsutsumi, Hiroyuki Chudo, Koichi Oyanagi, Mamoru Matsuo, Yuki Shiomi, Takahito Ono, Sadamichi Maekawa & Eiji Saitoh, "Spin Seebeck mechanical force", Nature Communications, Vol. 10, Article number: 2616 (2019), DOI: 10.1038/s41467-019-10625-y; Published: 13 June 2019