新たなスピン流の担い手を発見
～量子効果を用いた熱電発電、情報伝送へ道～

東北大学 原子分子材料科学高等研究機構（WPI-AIMR）/金属材料研究所　齊藤英治研究室の廣部大地博士課程学生と齊藤英治教授、同大学院工学研究科の川股隆行助教と小池洋二教授、日本原子力研究開発機構先端基礎研究センターの佐藤正寛研究員(当時。現茨城大学准教授)と前川禎通センター長らは、新しいタイプのスピン流伝搬の観測に成功しました。

スピン流とは、物質中の磁気の流れです。スピン流の利用により、電流では不可能であった低消費電力による情報伝導、情報処理、エネルギー変換が可能になるため、次世代のエレクトロニクスの候補「スピントロニクス」^注１）の重要な要素と期待されています。従来スピン流は、金属や磁石などを中心に研究されてきましたが、本研究は、「量子スピン系」と呼ばれる物質群において、従来とは全く異なるタイプのスピン流が存在することを明らかにしました。量子スピン系では、スピン流は電子ではなく「スピノン」^注２）と呼ばれる特殊な状態によって運ばれており、理論的には従来の限界を大きく打ち破る長距離スピン流伝搬が可能であると予想されています。

本研究では、スピノンの存在がすでに確認されている化合物Sr₂CuO₃の結晶のある特定の方向に温度勾配を加え、スピンゼーベック効果^注３）と呼ばれる現象を通じて、スピン流の生成・伝搬を発見しました。

本研究によって、量子スピン系に存在するスピノンを利用してスピン流を伝送できることがわかりました。量子スピン系は原子スケールで構成されており、これをスピン流配線として利用することで極めて小さなスピン回路を作ることが可能です。これらの新たな特徴は、スピノンを積極的に活用するスピントロニクス：スピノニクスとして、スピントロニクスに新たな可能性を与えると期待されます。

本研究成果は、2016年9月26日（英国時間）に英国科学誌「Nature Physics（ネイチャー・フィジックス）」のオンライン版で公開されました。