Investigation of spin transport phenomena in Si for application of spin device

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スピン-軌道相互作用はスピン流-電流相互変換や外部磁場を使わないスピン流の電気的な操作などに用いられる．さらに，スピン-軌道相互作用は小さいエネルギースケールを持ち，基礎物理から応用まで広い範囲で注目を浴びている．これまでは既にスピン-軌道相互作用が内在されている重金属系，低次元電子系や物質，閃亜鉛鉱構造の結晶などがスピン-軌道相互作用の主な研究対象であった．一方で，シリコンはその小さい原子番号(14番)と結晶の空間反転対称性により，スピン-軌道相互作用の研究領域では研究対象として排除されてきた．しかし，シリコンスピンデバイスのチャネルはゲート電圧を印加するため金属/酸化物/半導体(MOS)構造となっており，このMOS構造でシリコンと二酸化シリコンの界面は空間反転対称性が敗れていることに着目した．シリコン/二酸化シリコンのMOS構造でゲート電圧を印加すると2次元の電子層が生成される且つ，面直方向に電界が生じるため，界面由来のスピン-軌道相互作用が発現するための条件を充足させる．令和2年度の研究では，シリコンスピンデバイスにおける電子のスピンとその軌道間の相互作用に調査した．スピン-軌道相互作用の証拠としてスピン寿命がスピン方向に依存して異なるスピン寿命の異方性を，外部電界(ゲート電圧)を印加しながら評価した．その結果，シリコンスピンデバイスでゲート電圧を印加することでスピン寿命の異方性が変化することが観測された．この結果はシリコン/二酸化シリコンの界面由来のスピン-軌道相互作用が人工的に引き起こされたことを示唆する初めての報告である．