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。
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。
概要
现代のエレクトロニクス产业はトランジスタに代表される半导体素子により支えられていますが、近年の地球环境问题の深刻化に伴い、低消费エネルギー论理素子の开発の重要性が増しています。素子の消费エネルギーを抑えるには、电子が物质の中を运动するときに発生するジュール热を减らす必要がありますが、一つのアイデアとして电気信号の代わりに电子がもつ磁石としての性质（スピン）を使う「スピントロニクス」という新しい技术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现のためには、素子构成材料の开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现に资する新规材料として「トポロジカル絶縁体」という新しい性质を持った物质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叠颈 1.5 Sb 0.5 Te 1.7 Se 1.3 （叠厂罢厂＝叠颈：ビスマス、厂产：アンチモン、罢别：テルル、厂别：セレン）の単结晶试料を用いて电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、材料内部は半导体の性质を示す一方、材料表面は金属の性质を示す新奇な物质です。この表面金属部分では电子が极めて早く移动できるほか、情报伝播にエネルギーを消费しない永久スピン流が流れていると予测されています。さらに电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态に电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）に电気的に取り出すことに成功しました。また电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报デバイスの実现に向けた极めて重要な成果です。
図：スピン流のスピンの向きと観测する电极のスピンの向きに対応する抵抗の変化
详しい研究内容について
书誌情报
[DOI]
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
