【流動研究部門】半導体ナノ構造体中に現れる新スピン物性の 制御と応用

古賀 貴亮 ナノテクノロジー・材料系
半導体ナノ構造体中に現れる新スピン物性の制御と応用
古賀 貴亮准教授

創成研究機構 研究部・流動研究部門 ナノテクノロジー・材料系

半導体ナノ構造体中に現れる新スピン物性の制御と応用

電子は、電荷の自由度と共にスピンの自由度をもっている。これまでのエレクトロニクスでは、半導体中で電子の電荷自由度のみを利用して様々なデバイ スを実現してきた。半導体スピントロニクスの研究分野では、これまでのエレクトロニクスでは利用されてこなかったスピンの自由度を利用した新しいデバイス を開発することを目的としている。

半導体スピントロニクスの分野で、私が特に注目するのが、半導体中の伝導電子スピンのゲート電圧による制御である。微小な磁石ともいえる電子 スピンは、従来、外部からかける磁場によって制御するのが主流の方法だった。電子スピンが、磁場ではなく“ゲート電圧により制御可能な”電場により制御で きること(いわゆるRashbaのスピン軌道相互作用の利用)は以前より提案されていたが、私の行なってきたさきがけ研究では、次に挙げるように電子スピ ンをゲート電圧で制御できることをより明白にした点が新たな成果である。

  1. InAlAs/InGaAs/InAlAs量子井戸の低温での磁気抵抗にあらわれる反弱局在の現象を定量的に分析することにより、量子井戸の非対称性に起因するスピン分離の効果が存在することを見出し、その大きさは理論で予測される値と一致することを示した [1]
  2. InGaAsを井戸層、InAlAsを障壁層とする3重障壁共鳴トンネルデバイスにおいて、磁性材料を一切用いずに、スピンの向きが異なる電子を分離するスピンフィルターを実現することが可能であることを理論的に示した [2](図1.)
  3. InAlAs/InGaAs/InAlAs量子井戸にナノメーターオーダーの精度でつくり込んだ正方形ループ配列の微細構造中でのスピン 干渉の観察結果(図2.)から、異なるゲート電圧の印可により(量子井戸のスピン軌道相互作用の強さを変えることにより)、微細構造中での電子波動関数の 自己干渉が強め合ったり弱め合ったりすることを示した。(図2.)

今後は、これらの結果を踏まえて、共鳴トンネル構造を使ったスピンフィルターの実現、スピン軌道相互作用と位相緩和の関係の解明などに力を注いで行く予定である。