絶縁体に光を照射してスピン流を創り出す新しい原理を発見

January, 15, 2015, 仙台--東北大学 金属材料研究所の内田健一准教授の研究グループは、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。
　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世界で初めて成功した。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されたことになる。
　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。今後の研究の進展により、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。
　研究は、東北大学 原子分子材料科学高等研究機構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った。
　内田准教授の研究グループは2008年に磁性体に温度差をつけることによりスピン流が生じる現象「スピンゼーベック効果」を世界に先駆けて発見。2010年には、スピンゼーベック効果が金属や半導体のみならず絶縁体でも発現することが明らかになり、従来は利用できなかった絶縁体中の熱からもスピン流を取り出し、発電することを可能としてきた。2011年には、スピンゼーベック効果と同様の素子構造で音波からもスピン流を生成できることが見いだされた。
　特定の波長の可視光によって誘起された表面プラズモンを用い、絶縁体磁石に埋め込んだ金微粒子近傍に強力な電磁場を発生させ、この電磁場によりスピンの運動を効果的に駆動させることで、絶縁体磁石における光―スピン流変換を初めて実現した。
　実験では、絶縁体である磁性ガーネット(BiY2Fe5O12)薄膜の表面に白金(Pt)薄膜を接合した素子を用いた。この素子はスピンゼーベック効果の研究においても用いられているが、今回の研究で用いた素子は従来と異なり、磁性ガーネット層にナノメートルサイズの金(Au)微粒子を埋め込んだ構造となっている。この素子に分光した可視領域の単色光を照射しながら、白金層に発生する電気信号の精密測定を行った。
　研究で用いた素子に光を照射すると、入射光の波長が表面プラズモン共鳴条件を満たした際に金微粒子中の自由電子が集団運動し、それに伴って微粒子近傍に局在した強力な電磁場が発生。金微粒子は光アンテナとして機能しており、増強された電磁場によって磁性ガーネット中のスピンの運動が励起された結果として、上部の白金薄膜中にスピン流が誘起される。白金に注入されたスピン流は、「逆スピンホール効果」と呼ばれる固体中の量子相対論的効果によって起電力に変換される。今回の実験では、この逆スピンホール効果によって生成された起電力を測定し、検出された信号が磁性ガーネットから生成されたスピン流に由来することを明らかにした。さまざまな対照実験やシミュレーションを行うことで、光照射による発熱の効果を分離し、観測された信号は光が表面プラズモンを介してスピン流を励起する新しいプロセスによって生じていることを確認した。
　研究成果は、表面プラズモンをスピン流素子に導入した初めての例であり、これまで独立して研究されてきたスピントロニクス分野とプラズモニクス分野を融合した新しい研究分野の形成につながる。表面プラズモンとスピン流の相互作用に関する物理はこれまで全く研究されておらず、今後の研究によってさらなる新原理の解明や新機能の発現が期待される。