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スピントロニクス

光で磁石の性質が消える?レーザーで電子スピンの配向を制御できる「スピントロニクス」の可能性

 スピンとは何か?

 粒子の磁気にかかわる量。角運動の一種で、「自転」のイメージでとらえるとわかりやすい。電子だけではなく、さまざまな素粒子や原子核にもスピンは存在している。

 電子のもつ「電子スピン」で説明すると、地球の自転のように高速回転する電子の姿で考えるとわかりやすい。だが、このイメージは電子スピンを考えるのに便利ではあるが、スピンの本当の姿を捉えたものとはいえない。コマなどの回転(自転)と電子などのスピンとの違いについて、結論だけを先に見ておこう。

 コマの場合、はじめの力の入れ具合でいろいろな速度で回転させることができる。つまり角運動量はどんな値でもとることが許されている。また、しだいに回転速度が遅くなるにつれてコマの配向(回転軸の向き)は変化していく。これは摩擦などの影響のせいだが、とにかく重要なのは、コマの角運動量の大きさや配向は自由にとることができる。


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光からスピン流を生成する新原理発見!表面プラズモンからマグレノンを誘導

 電子のもつスピンの波「マグレノン」

 新しい電子工学の必要性が10~20年前から叫ばれている。磁性材料を使うスピントロニクスもそのひとつだ。私たちの身の回りにあるスマートフォンやパソコンといった電子機器は電流により動作している。

 しかし、金属や半導体に電流を流すと、物質の持つ電気抵抗に由来するジュール熱と呼ばれるエネルギー損失が発生します。電流を利用する限りこのような多大なエネルギー損失を避けることは原理的に不可能であり、最近の電子デバイスの開発における深刻な問題となっている。

 このような状況を根本的に打開する方法として、電子の電気的性質(電荷)の流れである電流の代わりに、電子の磁気的性質(スピン)の流れである「スピン流」に基づく電子技術に関する研究が世界中で進められている。

 スピン流は、波として伝わることで電流を流さない絶縁体中でも利用できるという重要な性質を持っており、このようなスピンの波は「マグノン」と呼ばれている。


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