東大、超伝導体へのスピン注入に成功 - スピン情報保持時間の増大を実証

東京大学は、超伝導体へのスピン注入に成功し、スピン情報保持時間が超伝導体に転移すると飛躍的に長くなることを実証したと発表した。

同成果は、同大大学院 新領域創成科学研究科の若村太郎博士課程2年、長谷川徳信修士課程2年、大西紘平氏(元東京大学大学院新領域創成科学研究科)、同大 物性研究所の新見康洋助教、大谷義近教授らによるもの。詳細は、「Physical Review Letters」掲載された。

近年研究が進むスピントロニクスでは、電子のスピンの情報をいかに長い時間保持し、遠くまで伝達させるかが重要となっている。物質中では、電子のスピンに対してスピン軌道相互作用や磁性を持つ不純物などスピンの情報を擾乱させる要因が存在するため、スピンの情報はある一定時間(スピン情報保持時間)が経過すると乱されてしまい、元の情報は消えてしまう。このスピンを擾乱させる要因は物質によって異なるため、より長いスピン情報保持時間や伝達距離を持つ物質の探索や、これらの物質にスピンを外部から注入する手法に関する研究が精力的に行われてきた。

今回、研究グループでは、これまであまり注目されてこなかった超伝導体でのスピン輸送に着目した。超伝導状態では、電子の有効的な速度は通常よりも遅くなるため外部からの擾乱の影響を受けにくくなり、スピン情報保持時間が長くなることが理論的に予言されていた。しかし、これまで行われた実験では電子の電荷に起因する効果など正確な測定を阻害する要因が多く、統一的な見解が得られていなかった。

今回の研究では電荷を伴わないスピンのみの流れ、純スピン流を超伝導体に注入することに成功し、また得られた信号から電荷に起因する効果を伴わずにスピン情報保持時間を求める新しい手法を開発した。同手法で実験結果を解析することで、超伝導体中では転移温度以下でスピン情報保持時間が変化し、転移温度以上の値に比べて4倍以上長くなることを実証した。実際の実験では、超伝導体として金属の中で超伝導転移温度の高いニオブを用いて、微細加工した磁性体、非磁性体(銅)、超伝導体細線を組み合わせた面内スピンバルブ素子を作製した。

この素子を用いると、これまでの実験でスピン情報保持時間を正確に決定することを阻害してきた効果を排除することができる。素子の磁性体/非磁性体間に電流(スピン注入電流)を流すことにより、銅の細線中には純スピン流が発生する。発生した純スピン流は、銅/ニオブ界面を通じ銅側からよりスピン緩和が強いニオブ側へ吸収される。超伝導状態ではニオブ側にあるエネルギーギャップが障壁となり、電圧などをかけない限り通常スピンが超伝導体側に入ることはない。今回の研究で用いた素子では、超伝導体ニオブ直上に非磁性体の銅を貼り付けることにより、界面近傍でニオブの超伝導性が弱まり、エネルギーギャップが小さくなる。これによって、純スピン流を非磁性体(銅)から超伝導体(ニオブ)に吸収させることが可能になった。

スピン吸収は通常、スピン注入電流に依存しないが、吸収させる物質に超伝導体を用いると、超伝導状態でのみスピン吸収がスピン注入電流に依存するという奇妙な振る舞いが見られた。これはスピン注入電流が大きい場合には、電子の感じる有効的な温度が上昇してしまうためにスピン吸収は通常の伝導体の時と変わらないが、スピン注入電流を十分小さくすると、電子の感じる有効的な温度が小さくなり超伝導体のエネルギーギャップがスピン吸収に極めて重要な役割を果たすためであるという。これまでの実験では、このエネルギーギャップの変化を含めた非磁性体/超伝導体間のスピンの輸送に関しては解析が難しいため、あまり取り扱われることはなかったが、この効果を考慮することで正確なスピン情報保持時間を求めることが可能になった。解析の結果、スピン情報保持時間は超伝導体中では通常の伝導状態の4倍以上大きくなることが実証され、これまで理論的に予言されていたものと一致したとしている。

今回の手法を用いることで、これまであまり研究が進んでいなかった超伝導とスピントロニクスを組み合わせた研究をより一層進展する。また、超伝導とスピントロニクスの両方の長所を生かすことで、電力消費の少ない量子演算素子の実現やスピン論理回路への応用が期待されるとコメントしている。