従来のエレクトロニクスでは、主に電子の「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。スピンを応用したデバイスの実現を目指しています。例えば、図に示したような、トランジスタのソースとドレインを強磁性体でおきかえた「スピントランジスタ」なども、実現を目標とするデバイスのひとつです。このデバイスでは強磁性体の磁石の向きでデータを記憶することができ、半導体にスピンを注入することにより動作します。スピントロニクスデバイスの実現により、データを不揮発的に（つまり電力を消費することなく）記憶することができるようになり、情報処理に必要な消費電力を極限的なレベルにまで低減できるものと期待されています。

強磁性体の電子のスピン自由度を用いて新たな省エネルギーデバイスを実現しようとする研究が精力的に行われています。このようなデバイスでは、N極とS極の向き、つまり磁化の方向を回転させて情報を書き込む必要があります。現在、磁化の制御方法としては、向きの揃ったスピンをもつ電子を流して、電子のスピンの向きを強磁性体の磁化に受け渡す方式などが用いられています。しかし、このような方法では極めて大きな電流密度が必要です。本研究室では、図に示すような酸化物の強磁性体(LaSrMnO3)と絶縁体(SrTiO3)を組み合わせて磁気トンネル接合と呼ばれる素子を作製し、15～200 mVの小さな電圧で、しかも無視できるほど小さな0.01 A/cm2程度の電流で、磁化の向きを90°回転できることを発見しました。LaSrMnO3という物質は、SrTiO3層との接合界面では、わずかな電圧を印加するだけで、伝導に寄与する電子の軌道の対称性が変わると考えられており、それにより磁化が回転しているものと考えられます。このように、単結晶の酸化物ヘテロ構造では、まだ知られていない様々な現象を新たに発見できる可能性があります。

スピントロニクスデバイスにおいて、現在、磁化反転に必要な消費エネルギーの低減が大きな課題の一つとなっています。最近の研究で、非磁性物質中の相対論効果である「スピン軌道相互作用」を用いることにより、電流からスピン流を生成できることが明らかになっており、スピン流により磁化が反転できることが分かってきています。このような「スピン軌道トルク」を利用した磁化反転方式は、スピントロニクスデバイスにおける次世代のデータの書き込み方式として有望視されています。このような研究では強磁性体と非磁性薄膜の２層構造が用いられてきましたが、本研究室では最近、強磁性半導体においては、それ自体が大きなスピン軌道相互作用を持っていることを突き止め、その物質に電流を流すだけで磁化反転が起こることを明らかにしました。さらに10^4A/cm2台の世界最小の電流密度(2020年時点)での磁化反転に成功しました。一方、高品質の単結晶ペロブスカイト酸化物界面に形成される２次元電子ガス領域で、スピン流と電流を非常に高効率に変換できることも明らかにしました（図参照）。現在、新たな物質を探索しています。