スピン軌道相互作用の機能化に基づくポーラロンスピントロニクスの創生

本研究の最大目標は、有機半導体材料を用いたスピントランジスタ(Spin-FET)のプロトタイプを作製することである。Spin-FETは電子の持つスピン自由度を用いた超高速・低消費電力が期待される夢のデバイスである。本研究課題では有機半導体材料のスピン軌道相互作用(SOC)を高機能化し, さらに微細加工技術などのナノテクノロジーや化学合成を最大限活用し、spin-FETの実現を目指した。まず当初の計画通り、ケンブリッジ大キャヴェンディッシュ研究所と共同研究体制を構築(計17ヶ月滞在)し, ナノスケールデバイスの作製及び、有機材料のスピン物性評価を行った。また、独国マインツ大学の理論家と共同研究体制を確立し, 量子化学計算から材料選定を効率化させる手法を用いた。その結果、当初の予想どおり原子番号の大きな元素を含む有機材料でのスピン軌道相互作用の増大を世界で初めて観測した（Nature Chemistry誌へ投稿準備中）。一方で、当初スピン寿命1秒, スピン拡散長10マイクロメートルの達成を目指したが、前者は1ミリ秒、後者は1マイクロメートルと及ばなかった。更なる材料選択の余地があり、今後とも引き続き実験を行う予定である。二年次は、引き続きケンブリッジ大を拠点とし、spin-FETの駆動に必要な磁気抵抗の観測を目指した。ケンブリッジ大で立ち上げた磁気輸送測定装置を用いて、これまで観測されていなかった全く新しい磁気抵抗効果を有機材料で初めて発見した。本研究成果はNature Materials誌にアクセプトされた。今回得られた磁気抵抗測定を用いることで、二年次の課題としていたスピン軌道相互作用の定量化・電気的検出が可能であり、目標が達成されたといえる。微細加工を用いたspin-FETのプロトタイプ作製はかなわなかったものの、微細加工技術等の習熟は十分に行うことができた。

本研究の最大目標は、有機半導体材料を用いたスピントランジスタ(Spin-FET)のプロトタイプを作製することである。Spin-FETは電子の持つスピン自由度を用いた超高速・低消費電力が期待される夢のデバイスである。本研究課題では有機半導体材料のスピン軌道相互作用(SOC)を高機能化し, さらに微細加工技術などのナノテクノロジーや化学合成を最大限活用し、spin-FETの実現を目指した。まず当初の計画通り、ケンブリッジ大キャヴェンディッシュ研究所と共同研究体制を構築(計17ヶ月滞在)し, ナノスケールデバイスの作製及び、有機材料のスピン物性評価を行った。また、独国マインツ大学の理論家と共同研究体制を確立し, 量子化学計算から材料選定を効率化させる手法を用いた。その結果、当初の予想どおり原子番号の大きな元素を含む有機材料でのスピン軌道相互作用の増大を世界で初めて観測した（Nature Chemistry誌へ投稿準備中）。一方で、当初スピン寿命1秒, スピン拡散長10マイクロメートルの達成を目指したが、前者は1ミリ秒、後者は1マイクロメートルと及ばなかった。更なる材料選択の余地があり、今後とも引き続き実験を行う予定である。二年次は、引き続きケンブリッジ大を拠点とし、spin-FETの駆動に必要な磁気抵抗の観測を目指した。ケンブリッジ大で立ち上げた磁気輸送測定装置を用いて、これまで観測されていなかった全く新しい磁気抵抗効果を有機材料で初めて発見した。本研究成果はNature Materials誌にアクセプトされた。今回得られた磁気抵抗測定を用いることで、二年次の課題としていたスピン軌道相互作用の定量化・電気的検出が可能であり、目標が達成されたといえる。微細加工を用いたspin-FETのプロトタイプ作製はかなわなかったものの、微細加工技術等の習熟は十分に行うことができた。