スピントロニクスは電子のスピンを操作することで、電子デバイスの動作速度を向上させ、エネルギー消費を削減できるが、材料のスピンテクスチャを生成・制御することには依然として課題がある。最近、スペインとドイツの研究チームは、グラフェンがコバルトやイリジウムなどの重金属層と積層されると、スピン軌道相互作用やスピンチルドなどの量子効果が強化されることを発見した。これはスピントロニクスの発展にとって極めて有利である。
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グラフェンとスピントロニクス
スピントロニクスは電子のスピン特性を利用して論理演算やデータ記憶を実行し、そのデバイスは速度とエネルギー消費の両面で従来の半導体を超える可能性を秘めている。しかし、材料内のスピンテクスチャの生成と制御には依然として大きな課題がある。
グラフェンは炭素原子が構成する二次元ハニカム構造であり、スピントロニクス応用の有望な候補材料とされている。グラフェンを重金属薄膜上に堆積すると、その界面で強いスピン軌道相互作用が発生し、さまざまな量子効果をもたらす。これには、エネルギーバンドのスピン軌道分裂を引き起こす Rashba 効果や、スピン配列に傾斜をもたらす Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用（DMI）が含まれる。特にスピン傾斜効果は、渦状スピンテクスチャ（スキルミオン）の安定化に寄与し、スキルミオンは次世代スピントロニクス技術の鍵となる要素として期待されている。
※ 知識補足:スピンは電子の特性の一つであり、磁性を生じさせ、電子デバイスの応用に影響を与える。従来の電子デバイスとは異なり、スピン制御によってより多くの可能性が生まれる。磁性材料と非磁性材料が接触すると、それぞれが相互作用し「磁気近接効果」を引き起こす。この特性は、磁気メモリなどの分野で広く応用されている。
コバルト層の強化効果
スペインとドイツの研究チームは最近、グラフェンと重金属（例えばイリジウム）の間に鉄磁性元素コバルトの単層を挿入すると、これらの量子効果が著しく強化されることを発見しました。研究チームは絶縁基板上でサンプルを成長させ、これらの効果が多機能スピントロニクスデバイスに有効に応用できることを確認しました。
ドイツのヘルムホルツベルリン研究センター（HZB）BESSY IIで行われた分光分析により、グラフェンはコバルト層と相互作用するだけでなく、コバルトとイリジウム層を介して間接的に相互作用していることが示されました。これは、グラフェンと重金属間の相互作用がフェリ磁性コバルト層によって媒介され、エネルギー準位の分裂とスピン傾斜効果を強化することを意味します。
画期的な実験と理論的検証
HZBの物理学者Jaime Sánchez-Barriga博士は、コバルト単層の枚数を調整することでスピン傾斜効果に影響を与えることができ、特に三層コバルト単層が最も効果的であると指摘しています。この結果は実験データだけでなく、密度汎関数理論（DFT）計算によっても検証されました。今回の研究の重要な発見は、二つの量子効果の相互作用と強化であり、この現象は新しく予想外のものです。
今回の研究が突破的な成果を得ることができたのは、BESSY IIの先進的なスピン角解析光電子分光技術（Spin-ARPES）のおかげです。Sánchez-Barriga博士は、この技術が研究チームに材料のスピン傾斜効果とRashba型スピン軌道分裂を精密に測定する能力を与え、さらには電子のスピン自体よりも顕著な推定を解析できるようになったと述べています。
世界にはこのような高感度の測定装置を備えた機関は極めて少数です。そのため、この研究結果は石墨烯ベースの異質構造が次世代自旋電子デバイスにおいて応用されるための強固な基盤を築くものであり、その巨大な潜在能力を示しています。将来的には、異なるフェリ磁性層や重金属の組み合わせをさらに探求することで、より新しい量子効果が発見され、スピンエレクトロニクス技術の実用化の進展を加速する可能性があります。
参考文献
- スピンエレクトロニクスの突破：コバルト層を挿入することでグラフェンの量子ポテンシャルが解放される
- Spintronics Breakthrough: Unlocking the Quantum Potential of Graphene With Cobalt
- 「鉄磁体媒介の重金属電子ハイブリダイゼーションがグラフェン中のラシュバ型スピンパターンを促進する」、著者：Beatriz Muñiz Cano、Adrián Gudín、Jaime Sánchez-Barriga、Oliver Clark、Alberto Anadón、Jose Manuel Díez、Pablo Ollerers-Rodrguez、Imando rançois Bertran、Donya Mazhjoo、Gustav Bihlmayer、Oliver Rader、Stefan Blügel、Rodolfo Miranda、Julio Camarero、Miguel Angel Valbuena 和 Paolo Perna，2024 年 6 月 7 日，ACS Nano。 DOI: 10.1021/acsnano.4c02154
（首图来源：Dall-E/arö/亥姆霍兹柏林研究中心）
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