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慶応大、電気を流すプラスチック中での磁気の流れを解明

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慶応大、電気を流すプラスチック中での磁気の流れを解明

スピントロニクスとスピン流。電流は電子の電気的性質の流れであり、スピン流は電子の磁気的性質の流れである。スピントロニクスは、スピン流を利用することでこれまで実現困難であった高機能・低電力な次世代電子デバイスを目指している。

慶應義塾大学は、磁気のダイナミクスを利用することで、電気を流すプラスチック「導電性高分子」の中で磁気の流れ「スピン流」を作り出すことに成功し、これまで未解明だった有機材料中のスピン流の特異な性質を世界で初めて明らかにした。

この発見は、電子のスピンを利用することで省エネ化を目指す「スピントロニクス」とフレキシブル、かつ低コスト・大面積化が可能な「有機エレクトロニクス」の両方のメリットを最大限利用した「プラスチックスピントロニクス」の基幹となり、他の物質と比較して著しく長いスピン情報保持時間を示す有機材料の特長を利用した次世代省エネルギー電子技術への大きな推進力となることが期待される。

電子は、「電気」と「磁気」両方の性質をあわせ持っている。従来のエレクトロニクスが電気のみを利用してきたのに対して、「スピン流」を利用することで、超低消費電力デバイスや量子コンピュータの実現が可能となるため、これまで金属や無機半導体といった材料でスピン流に関する膨大な研究が行われてきた。しかし、フレキシブルかつ印刷が可能で、さらに安価といった優れた特徴を持つ次世代のエレクトロニクス材料である導電性高分子中にスピン流を作り出すことは困難で、その性質はほとんど理解されていなかった。

今回の研究では、導電性高分子中のスピン流の減衰長が200ナノメートル程度であることが明らかとなり、さらのこの温度依存性測定から電気伝導度との関係を調べることによってスピン流の減衰メカニズムが明らかになった。

三層スピン流注入検出構造

今回の研究で作成した三層スピン流注入検出構造。スピン流注入層(パーマロイ)から有機半導体層へスピン流が注入され、このスピン流が有機半導体層を通り過ぎるとスピン流検出層(白金)に電圧が生じる。右図は実験に用いた試料の透過型電子顕微鏡像。

これまで金属や無機半導体と同様に、導電性高分子においてもスピン流の減衰長は移動度の向上によって長くなると信じられてきたが、今回、金属や無機半導体とはスピン流の伝導メカニズムが異なり、導電性高分子中ではこの常識が通用しないことが初めて示された。これより、移動度を低下させることで有機材料中のスピン情報保持時間を劇的に長くすることが可能なことが初めて明らかとなった。

【参考】
慶應義塾大学 - 導電性高分子中で磁気の流れを作り出すことに室温で初めて成功

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