大矢 忍/OHYA Shinobu

大矢 忍 准教授

【研究分野】
ナノ物理・デバイス分野
【研究領域】
スピントロニクス、スピン流制御、トポロジカル物質、酸化物スピンデバイス、量子ナノ物理
【研究室URL】
http://www.cryst.t.u-tokyo.ac.jp/ohya/index.html

研究内容

従来の半導体エレクトロニクスでは、電子の「電荷」の自由度が利用されてきました。一方、電子には「スピン」というもうひとつの自由度が存在します。近年、電流とは異なる新たな「スピン流」という概念が構築され、これを用いることにより、「超低消費電力の新たなエレクトロニクス素子」や、「高効率な人工知能デバイス」が実現できることが期待されています。本研究室では、半導体、強磁性体、酸化物、トポロジカル絶縁体などの高品質単結晶を人工的に組み合わせて多層膜構造を作製し、高効率にスピン流を生成して、その物理を開拓するとともに、新たなデバイスを実現することを目指しています。

「スピン流」とは?

スピン流とは、上向きスピンと下向スピンが逆向きに流れる状態です。特に、図1に示す「純スピン流」と呼ばれる状態では、それらの流れは電荷の流れとしては完全にキャンセルしていて、電流は検出できません。ただ、スピン軌道相互作用という量子力学的な効果を利用することにより、純スピン流を電流に変換したり、また、電流を純スピン流に変換したりすることができます。また、スピン流を利用することにより、磁石の向きを反転させたり、現在のトランジスタが苦手とする不揮発記憶の機能を新たにトランジスタに付加できたりすると期待されています。

「スピン流の舞台」となる人工的に制御された高品質多層膜構造の作製

スピンは結晶の乱れに対して非常に敏感であるため、スピン流を正確に制御するためには、単結晶で構築された高品質なナノ多層膜構造の作製が不可欠です。私の研究室では、分子線エピタキシー装置(Molecular-beam epitaxy; MBE 図2)を用いて緻密に制御された結晶を作製しています。この装置では、超高真空(10-9Pa=10-14気圧)中で分子ビームを試料に照射して一原子層ずつ結晶を作製します。そのため、非常に高品質な単結晶多層膜を作製することができます(図3)。

スピントランジスタや人工知能デバイス等の新たなスピン流デバイスの創製

原子レベルの制御性を持つ分子線エピタキシーを用いる大きな利点は、原子レベルで平坦なナノ構造を作製できることです。このような系においては、スピンの自由度を最大限活用することが可能です。私たちは、研究テーマの一つとして、スピントランジスタ(図4)の実現を目指しています。このデバイスは、増幅機能を有するとともに、データを磁石の向きで記憶でき、超低消費電力デバイスとして実現が期待されています。提案から10年以上が経ちましたが、高品質な結晶成長技術を駆使することにより、ようやく実現への道が見えてきました。これ以外にも、様々なスピン流デバイスの実現を試みています。

様々な装置を利用した幅広い研究

本研究室では、田中研究室と共同で研究を進めています。田中研究室の所有する様々な装置や、工学部10号館および武田先端知ビルのクリーンルームの最先端の装置も利用して、幅広い研究ができます。萌芽的な研究では、非常に面白い現象であっても、初めは極低温でしか観測されないことも多々あります。本研究室では、非常に簡単に300mKの極低温を得ることもできます。

学生へのメッセージ

スピントロニクス分野ではスピン流物理も含め未知な部分が多く、新たな発見が多々あります。また、従来にない多くの新たなデバイスが実現できると期待されており、非常にやりがいのある研究分野だと思います。一緒に研究をしたい方、是非お待ちしております。

図1:純スピン流(左)と単結晶二次元界面の電子を利用した純スピン流生成(右)
図2:分子線エピタキシー装置(MBE)
図3:MBEを用いて作製した人工的に制御された様々な単結晶ナノ構造の電子顕微鏡像
図4:研究中の縦型スピントランジスタ:縦方向のスピン偏極流を横からのゲート電圧で制御する