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ナノテク情報

物性・原理

銅に色素を塗るだけでスピン変換機能を発現

 東京大学,国立研究開発法人理化学研究所,大阪大学および金沢大学は2019年9月13日,東京大学物性研究所の一色弘成助教ら,理化学研究所の近藤浩太上級研究員らの研究グループが,大阪大学および金沢大学のグループと共同で,青や緑の顔料で有名な色素分子フタロシアニン(PC)を金属銅の表面に塗るだけで,スピン流を電流に変換する機能を発現させることに成功したと発表した.本研究は,文部科学省科学研究費補助金 新学術領域「ナノスピン変換科学」の一環として行われ,成果は,Nano Letters誌に掲載された(注).

 電子の持つ電荷に加えて,量子的な磁石のスピンを利用するスピントロニクスは今後の情報社会を支える技術と期待される.その要素技術であるスピン流の生成・検出では,近年,固体無機材料の界面におけるスピン流と電流の効率的な相互変換が注目を集めている.これに対し,本研究グループは,有機材料を用いてスピン流と電流の変換ができれば分子の設計自由度を活用して変換機能を高められると考え,未開拓な有機分子を用いたスピン流-電流相互変換発現の実証に挑戦した.

 東京大学物性研究所を中心とする研究グループは,強磁性体層の上に銅層を重ね,その銅層の表面にPC分子の一種である鉛(II)PC分子を蒸着した界面に,スピンポンピング法によってスピン流を注入した.スピンポンピング法とは,磁場の中の強磁性体に発生する磁場の方向を軸にした歳差運動に,歳差運動と等しい周期を持つ交流磁場を印加すると,強磁性共鳴が励起され,そのスピン角運動量が隣接する非磁性体に流れ込むことを利用するスピン流注入法である.このスピン注入に対応して電流発生に伴う電圧が観測された.即ち,スピン流から電流への変換が行われたことになる.その変換係数(2次元スピン流/3次元スピン密度)は0.4±0.06nmと見積もられ,白金やビスマスといった重金属で報告されている変換係数の最大値に匹敵することが分かった.

 スピン流-電流変換は電子のスピンの向きと運動量が直交する電子状態(スピン-運動量ロッキング)にある場にスピン流を注入すると,電子は運動量を獲得して電流が流れることで起こる.今回の結果は,銅が分子で修飾されて銅表面の電子状態が大きく変調され,鉛(II)PC分子と銅界面にスピン-運動量ロッキング状態が発現したと推測される.この仮説は第一原理計算による電子スピン状態の解析でも再現・確認された.

 さらに,分子層の厚み(膜厚)を系統的に変化させた試料を作製し,スピン流-電流変換由来の電圧信号の変化を計測したところ,単一分子層が形成されたときに電圧信号は最大になることが分かった.走査型プローブ顕微鏡法による観察で単一分子膜は,表面に平坦に吸着した鉛(II)PC分子が周期的に配列した構造であることが判明し,それ以外では,その構造がくずれることがわかった.

 本研究では,高効率なスピン流-電流変換を分子/金属界面で初めて実証した.今後は,分子の高い設計自由度を利用した新規スピン流デバイスの実現が期待されるとしている.

(注)Hironari Isshiki, Kouta Kondou, Sei Takizawa, Koki Shimose, Takeshi Kawabe, Emi Minamitani, Naoya Yamaguchi, Fumiyuki Ishii, Akitoshi Shiotari, Yoshiaki Sugimoto, Shinji Miwa, and Yoshichika Otani, "Realization of spin dependent functionality by covering a metal surface with a single layer of molecules", Nano Letters 2019, doi: 10.1021/acs.nanolett.9b02619; Publication Date: August 20, 2019