スピン流の創出と制御
平成19年度～平成22年度
高梨 弘毅（東北大学・金属材料研究所・教授）
磁気特性、電気特性、光学特性などの物理量は元来独立なものであるが、材料がナノスケール化するとお互いに強く相関を持つようになり、相互に変換できるようになる、言い換えれば一方によって一方を制御できるようになる。このことは、スピントロニクス研究の発展の中で、金属や半導体といった従来の枠組みを超えて、共通して持たれるようになった認識である。そして、これらの相互変換・制御における最も基礎になる概念として、スピンの流れ、すなわち「スピン流」が注目されるようになった。電荷の流れである電流とは異なり、スピン流は角運動量の流れであり、角運動量の授受を通して変化する。一般的にスピンの注入あるいは蓄積という現象を通して生成したスピン流は、緩和と拡散を通して消滅する。スピン流の生成と消滅は他の物理量との変換を伴うので、適当な物理信号（磁気、電気、光学的信号など）によってスピン流を制御することができ、逆にスピン流によって物理信号の制御をすることもできる。スピン流の性質を明らかにすることは、同時に物理量の相互変換・制御のメカニズムを明らかにすることであり、それはスピントロニクスに格段の発展をもたらすとともに、さらに新しい物理現象や新しいデバイスにつながっていくことが期待できる。本特定領域は、スピン流の生成と消滅、そしてそれらを通して生じる物理信号との変換・制御に関する学理を確立し、電流とは異なるスピン流固有の属性に基づく新規な機能性の探求とデバイス応用を目的として設定された。
「スピン流の創出と制御」の学理に関して、室温における巨大スピンホール効果の発見、熱からスピン流を生成するスピンゼーベック効果の発見、磁性絶縁体中のスピン波スピン流の実証と制御、ファラデーの法則の一般化として予言されたスピン起電力の実証、純粋スピン流による磁化制御、光による磁化制御とスピン流生成、などの画期的な成果が得られ、スピン流に関する理解が格段に進んだ。また、「スピン流の創出と制御」に有用な材料およびそのナノヘテロ接合体の創製、プロセス、評価においても、ハーフメタル・ホイスラー合金の作製・プロセス技術の改善によるTMRおよびCPP-GMRのチャンピオンデータの達成、ホイスラー合金や磁性半導体の規則構造評価および電子状態評価技術の確立、高効率のスピン偏極電子注入を可能にする磁性金属／半導体接合の作製、などの成果が得られた。さらに、デバイス応用につながる機能制御の研究においても、強磁性トンネル接合の利用による、半導体素子と同程度の検波感度を有するスピントルクダイオードの開発、スピントルクによる20 GHzを超える高周波発振の実現、強磁性金属を用いた半導体光アイソレータの作製と高性能化、などの成果が得られた。以上のように、「スピン流の創出と制御」に関する学理から材料、デバイス応用につながる機能制御まで、スピントロニクス分野の発展に貢献する多くの優れた成果が得られた。加えて、本領域の設定以降、関係諸学会で「スピン流」を課題にしたシンポジウムや研究会が数多く開催されるようになり、「スピン流」の重要性が国内外で広く認知されてきた。本特定領域の果たした役割は大きい。
A+（研究領域の設定目的に照らして、期待以上の成果があった）
本研究領域では、スピン源の創出、スピン流の物性とその機能制御に関する研究計画班が有機的に連携することによって、学理からデバイスの応用に渡り大きな成果が得られた。スピン流の現象としての理解に関しては、本領域の活動期間でほぼ完成の域に達したと見なされ、特定領域として成功を収めた。総じて研究成果の量と質は極めて高水準であり、スピンゼーベック効果などスピン流が関与する新しくまたインパクトの大きい現象を発見したことからも、期待以上の成果が得られたと判断できる。また、これらの学術的に極めて高い成果は、スピントロニクスと周辺分野への多大な波及効果も想定され、今後の応用展開にも大いに期待できる。研究成果の発信や、若手研究者の育成についても十分な成果が上がっている。
「その領域全体の学術的水準が高く、研究の格段の発展が期待できる研究領域」とした当該領域において、スピン流の創出と制御にかかる学術基盤の基礎的な部分については、興味深い現象の発見とその精緻な解析が進み、それらがインパクトファクタの高い学術誌に多数採択されていることからも、期待以上の達成度があったといえ、高く評価できる。
また、「研究の発展段階の観点からみて成長期にあり、研究の一層の発展が期待される研究領域」として、スピンゼーベック効果の発見等、一部において想定を超える成果があり、熱とスピン流の問題に関する新分野形成の可能性が示されたことなど、今後の一層の発展が期待される分野が形成された点で高く評価できる。これらの新分野の更なる展開と、それによるさらに新しい波及効果の大きな現象の発見・展開を今後期待する。
「その領域全体の学術的水準が高く、研究の格段の発展が期待できる研究領域」とした当該領域において、巨大スピンホール効果の発見、スピンゼーベック効果の発見、スピン起電力の実証等、スピン流の学術的基盤に関して非常に高水準な研究成果が多数報告され、当初目標に照らして期待以上の成果が上がっており、高く評価できる。
また、「研究の発展段階の観点からみて成長期にあり、研究の一層の発展が期待される研究領域」として、活動期間内にスピン流に関する基礎的成果が多く生まれており、今後それらを元にした応用研究の発展が期待され、その成果を活用した実用化についても一層の発展が期待される点は高く評価できる。今後の一層の展開に向けて、スピン流に関するさらにユニークな物質機能・現象の開拓に期待する。また、若手人材は短い期間で多くが育っており、若手研究者の今後の発展で予期しない波及効果が出てくることが期待される。
優れた成果の多くが共同研究から生まれており、A01～A05班までスピン流の物性、機能を戦略的に研究する設定がうまく機能したことは高く評価できる。
特に問題点を指摘する意見はなかった。
多くの成果は、次世代のエレクトロニクスに大きく貢献しうる波及効果の大きなものである。今後、これらの成果が広い領域に浸透して行くには、わかりやすい形での広報や教育システムの開拓が効果的であり、その面での発展が期待される。
若手研究者による受賞、プロモーションともに良い成果が出ていることは高く評価できる。
平成23年度科学研究費補助金「特定領域研究」に係る研究成果等の報告書（※KAKEN科学研究費補助金データベースへリンク）
研究振興局学術研究助成課
-- 登録：平成24年02月 --