東北大、絶縁体に光を照射してスピン流を創り出す新原理を発見

東北大学は1月8日、特定の金属微粒子を含む磁石に可視光を照射することで、スピン(磁気)の流れを生成できる新しい原理を実証したと発表した。

同成果は、同大 金属材料研究所の内田健一准教授らによるもの。同大 原子分子材料科学高等研究機構(AIMR)および金属材料研究所の齊藤英治教授(日本原子力研究開発機構 先端基礎センター 客員グループリーダー兼任)、日本原子力研究開発機構 先端基礎研究センターの前川禎通センター長、安立裕人副主任研究員らと共同で行われた。詳細は、英国科学誌「Nature Communications」のオンライン版に掲載された。

近年、持続可能な社会に向けた環境、エネルギー問題への取り組みが活性化する中、身近に存在する光、熱、振動、電磁波などをエネルギー源として利用するような、新しいエネルギー変換原理の創出が期待されている。例えば、クリーンで信頼性の高いエネルギー変換技術の候補として、太陽電池や熱電素子、圧電素子などを用いた発電技術が盛んに研究されている。

今回、研究グループは、特定の金属微粒子への光照射で誘起される表面プラズモンと呼ばれる電子の集団運動を磁石の中で励起することで、光のエネルギーをスピン流に変換することに成功した。また、これまでにスピン流を電流に変換する技術も確立しており、光のエネルギーから電流を生成する新たなエネルギー変換原理が創出したとしている。

さらに、これまでに確立されてきた熱や音波、電磁波によるスピン流生成と同様の材料で、今回実証した光-スピン流生成も発現することが分かった。このことから、電流やスピン流の駆動力として同時に利用可能なエネルギー源の選択肢をさらに広げられることが明らかになった。今回の成果は、今後の研究の進展で、表面プラズモンとスピン流を融合した新しい研究分野の形成や、外部電源を必要としない電気、磁気デバイスの研究開発に貢献することが期待されるとコメントしている。

今回の実験に用いた素子の模式図。素子に可視光を照射すると、金微粒子中に励起された表面プラズモンを介して光とスピンが相互作用し、磁性ガーネットと白金の界面近傍にスピン流が生成される。このスピン流を起電力に変換することで、電気信号として観測したという