半導体中の電子や核の量子力学的スピンコヒーレンスの応用を目指して

[慶應スピントロニクス 研究連携先 - 大野研究室 , 東北大学]

東北大学 電気通信研究所 ナノスピン実験施設において、大野英男研究グループではスピントロニクスの量子力学的な側面の解釈とその応用に向けた研究もおこなっています。
現在エレクトロニクスを支えている半導体デバイスの多くは非磁性で磁石としての振る舞いはほとんど見られませんが、非磁性半導体においてはスピンの量子的な振る舞いが顕著に現れます。
そこを制御し、新しい情報通信技術や量子計算機などに活かそうと開発を進めています。

Q「半導体っていうのは集積回路を半導体で作る訳なんですけども、半導体を磁石にして半導体の中で電気の効果とスピンの効果を一緒に使おうという研究をしています。それは必ずしも半導体である必要はないんですけども、電気的な効果で磁石を制御する、磁気的な効果で電気的なものを制御するという新しいパラダイムをそこで見いだそうとしています。」

非磁性半導体のスピン、特に核スピンはその量子力学的な位相を保持する時間が長い事が知られています。
大野英男研究グループ内で研究を行なう大野裕祐三准教授はそういったスピンの量子力学的な面を透過型時間分解ポンププローブ法や時間分解ファラデー・カー回転法といった光を用いた方法で高感度に検出し、物性の理解と応用へ向け研究を進めています。

Q「スピンというのは量子力学的な物理量領でして、その量子力学的な状態を長く保持する事が出来ればこれが計算機の中の１と０の役割をそのスピンの上向きと下向き、更に量子力学的に位相と呼ばれる１と０のちょうど重ね合わせた状態、そいういったものをリソースとして使う事が出来れば、例えば量子コンピューティングですとかあるいは量子通信等新しい情報通信の基盤となるデバイスに応用出来るんではないかと期待されています。」

今後量子情報を利用した次世代の半導体デバイスとして大きな期待を持たれているスピントロニクス技術。
こういった研究開発には、スピントロニクスに希望を見いだす若い研究者も多く参加しています。

Q「電荷の流れを電流というのに対して、スピンの流れをスピン流と言って近年注目を集めています。
スピン流はまだ新しい概念なんですけども、これを用いれば今まで考えられなかったような新しい機能を持ったデバイスが実現される事が期待されています。」

Q「非磁性半導体中にレーザー光を照射して内部にスピンの向きが揃った電子を生成すると電子スピンと核スピンの間のスピンのやり取りによって核スピンの向きを揃える事が出来ます。
揃えられた核スピンは外部から瞬間的に磁場を加える事で自由に向きを変える事が出来ます。さらに核スピンは磁場として電子スピンに働き、電子のスピンの歳差運動の早さ速さを変化させます。
これにより電子スピンを通して高感度に核スピンの状態を検出する事が出来ます。」

大野英男教授は研究を進めていく上で、結果だけではなく将来を支えていく研究者達の成長が科学技術を前進させていくための大きな課題の一つだと考えています。

Q「研究だけじゃなくてですね人材の育成、育成というとわざわざなんか作るような感じですけど、実際にはそこで仲間になる、まあ学生諸君、ポストドックの人達、あるいは職員の人達を含めてですけども、仲間としてチームとしてある研究を進めていく中で、科学技術の研究を進めていくっていうのはどういう事なのかっていうのを肌で理解して世界の一線とやりあっていく、やり合うっていうとあれですけども、協調しながら競争するっていうのはどういう事なのかっていう事を分かった人材がここから育ってると。あるいはこういう環境で育ってるという事を是非理解頂きたいしサポート頂きたいなと思います。」