東北大学、慶應義塾大学、FDKらの研究チームは、電子の自転である「スピン」を用いることで絶縁体に電気信号を流す方法を発見した。

一般的には絶縁体には電気が流れないが、今回の研究では電気信号をスピンに変換して、絶縁体である磁性ガーネット薄膜の高品質表面に2つのPt電極薄膜を付けて精密な電気測定を実施、一方の電極から電流を注入、絶縁体中を「スピンの波」として伝送し、再び電気に変換することによって、絶縁体中も電気信号を伝送できることを発見したほか、この電気信号伝送は磁場を加えることでスイッチオン・オフすることも発見した。

絶縁体中に電気信号を送信する実験の様子。写真中央が試料

この現象は、Pt電極中の電流が「スピンホール効果」と呼ばれる固体中の相対論効果によって電子スピンの流れを生み出し、これが磁性ガーネット中をスピンの波として伝わり、このスピンの波がもう一方のPt電極中でスピンホール効果により電圧に変換されたものと考えられる。磁性ガーネットなどの磁性を持った絶縁体は、電流は通さないがスピンの波は通す物質であることがポイントであるという。

絶縁体中に電気信号を送信した実験結果の例(絶縁体Y3Fe5O12に2つのPt電極を取り付け、片方の電極に電流を流すと、もう片方の電極に電圧が発生する)

金属や半導体を流れる電流は、ジュール熱と呼ばれるエネルギー損失を伴うのが一般的で、これを回避するためには、摂氏マイナス100℃以下の低温で発現する超伝導現象を用いるしかなかった。しかし、今回発見された絶縁体中の伝導にはこのジュール熱の発生がなく、かつ室温でも動作することから、新たな省エネルギー情報伝送 手法としての活用が期待されるという。

スピンホール効果と逆スピンホール効果(スピンホール効果では、電流が流れるだけでスピン軌道相互作用の効果で上向きのスピンと下向きのスピンが左右に分離され、電流jqと垂直方向にスピン流jsを生じる。また、逆にスピン流から電流を発生させる現象を逆スピンホール効果と言う。今回は電流からスピン流を発生させ、さらにそのスピン流から電流を発生させる「スピンホール効果」と「逆スピンホール効果」の組み合わせを利用したものである