半導体表面上で電子のコマ回し

【概要】次世代半導体デバイスとして、電子スピンを利用したスピントロニクスが注目されていますが、千葉大学の坂本一之准教授、金沢大学の小田竜樹准教授と広島大学の木村昭夫准教授を中心とした研究チームは、半導体表面の面内に寝ていると考えられていた電子スピンが、回転するコマが立ち上がるように突如垂直に屹立することを世界で初めて観測しました。坂本准教授らの研究結果はこれまで報告のない新しい量子効果であるのみでなく、この結果を用いることによりスピントロニクスにおいて電子スピンの輸送効率を飛躍的に高めることが出来、デバイスの高速化･多機能化および低エネルギー消費化を実現することが可能となります。本学の理工研究域数物科学系所属の小田竜樹准教授は、大学院自然科学研究科博士後期過程に在籍する辻川雅人（日本学術振興会特別研究員）の協力を得て、実験観測の初期段階から最新の理論計算手法により”屹立する電子スピン”の存在を示唆し、見通しのよい実験観測の実施へ貢献すると同時に、観測した現象の重要な起源の１つである対称性と電子状態の関係について新しい研究成果を得ました。

【背景】

　ナノメートルの世界に飛び込むと、物質の次元の低下に起因した新奇の物理現象が現れることがあります。次世代半導体スピントロニクス※1デバイスに利用される、二次元非磁性体での電子のスピン偏極※2の発現もその１つです。このスピン偏極の起源はラシュバ効果※3と呼ばれ、"理想"二次元電子系※4においては面内にのみスピンが向きます。また、電子スピンの輸送効率と密接に関連するラシュバ効果の大きさは、軽元素基板の上に重元素を吸着させなど、軽元素と重元素を組み合わせることによって大きくなることが知られています。しかしながら、"半導体"スピントロニクスへの利用が期待されるにもかかわらず、ラシュバ効果のこれまでの研究は金属を対象としたもののみでした。そこで同研究グループは軽元素であるシリコンの上に重元素のタリウムを吸着させた半導体的な特性を示す二次元電子系※5での研究を行いました。

【研究手法と成果】

　研究グループはスウェーデンの放射光施設MAX-labおよび広島大学の放射光科学研究センターにおいて角度分解光電子分光※6とスピン分解光電子分光※7という2つの実験手法と、第一原理計算※8による理論的手法を用いてタリウム吸着シリコン表面での電子バンドと電子スピン※2を調べました。その結果、これまで固体物理学において、どのような二･三次元物質でも観測されたことのない不思議な電子バンド分裂※10を観測し、この不思議なバンド分裂のところでのみ電子スピンが表面に垂直な方向※10を向くことがわかりました。これらは、 "現実の" 二次元電子系においては、ある特定の波長をもつ電子のスピンが面に垂直に屹立することを世界で初めて観測した結果です。また、元素の特性を加えた"拡張ラシュバ効果"を理論的に考察することにより、表面の対称性※11が電子スピンの屹立の要因であることがわかりました。この現象は、電子をコマ･電子スピンをコマの軸に例えると、氷のように滑らかな表面上では回転していても立ち上がることができなかったコマが、周期的な凹凸のある表面を用意することにより、ある地点で急激に立ち上がることが出来たとイメージすることができます。

【研究成果の意義】

　対称性により理解できる；この研究結果が（特殊なものではなく）普遍的な新しい量子効果であることを意味しています。つまり、今回用いた系と同じ対称性を有する系であれば、電子バンドの分裂に大小の差はあるものの、同様の屹立するスピンが得られます。
　通常のラシュバ効果では面内の様々な方向を向いているスピンが存在し、異なる向きのスピンによる散乱のためにスピン輸送効率が悪くなっていますが、屹立したスピンはそのような散乱を受けにくいことからスピン輸送効率が飛躍的に向上することが期待されます。例えば重元素基板上にグラフェン※12を吸着させ、本研究と同じ対称性を持つような系を作成することにより、これまで考えられていたものより高移動度･高効率･低エネルギー消費のスピントランジスターの作成が期待できます。
　面内スピンと屹立スピンを別々に抽出することができれば、デバイスのさらなる高速化･多機能化が期待できます。

　本研究成果は、平成21年3月4日米科学誌「Physical Review Letters」にオンラインで掲載されました。文献の詳細は以下の通り、

"Abrupt rotation of the Rashba spin to the direction perpendicular to the surface", Kazuyuki Sakamoto, Tatsuki Oda, Akio Kimura, Koji Miyamoto, Masahito Tsujikawa, Ayako Imai, Nobuo Ueno, Hirofumi Namatame, Masaki Taniguchi, P. E. J. Eriksson, and R. I. G. Uhrberg, Physical Review Letters, Volume 102, Number 9, Article Number 096805, ( 2009)

【本研究に関するお問い合わせ先】

金沢大学

理工研究域

数物科学系

　　准教授

小田竜樹（おだたつき）

TEL 076-264-5676

FAX 076-264-5740

　　〒920-1192

金沢市角間町

E-mail:

【解説】

※ 1　スピントロニクス

　スピンとエレクトロニクスを合わせた造語。電子の有する電荷の自由度のみでなく、スピンの自由度も利用する分野（図１）。

※ 2　スピン偏極･電子スピン

　電子がもつ量子力学的な自由度の1つである電子スピンがある特定の方向に偏ること。電子スピンは電子の自転に由来すると例えることができる。通常、非磁性体物質ではスピンは偏極していない。

※ 3　ラシュバ効果

　1960年にE. Rashbaによって提唱された効果。二次元電子系において、面直方向に電位勾配を与えることによって非磁性体であってもスピン偏極電子が生じ、縮退していた電子バンド（※9）が分裂する（図２）。波数は表面平行方向であり、スピン偏極ベクトルは二次元面内のみを向いている。凹凸のない表面や界面などの理想的な二次元系においては、面直方向の対称性が破れていることによって電位勾配が生じ、スピン偏極電子が生じる。

※ 4　二次元電子系

　固体では原子が3次元に配列していることにより、電子も3次元的な構造を有するが、物質表面や界面、超薄膜などでは原子が二次元的な周期性しか持たないため、電子も二次元構造を有する。理想二次元系は、完全に等方的な系を指し、現実的な二次元とは擬二次元的な原子配置により二次元面内に異方性を有する系を指す。