発表のポイント
- 磁石の性質をもたない有機と無機ナノシートの積層構造から、光を用いたスピントロニクスに向けた半導体材料を作ることに成功。
- 鏡像が自身と重なり合わないキラリティをもつ有機分子と、スピンへの強い効果をもつ重元素（原子番号の大きい元素）を含んだ無機化合物のハイブリッド化で達成。
- 光を当てると（原理的にはスピン方向が揃っている）電流が流れ始め、その方向が結晶の右・左のキラリティで決まることを発見。
概要
キラルな結晶構造を持ち、重元素から構成される物質は、非磁性であっても電子の磁石としての性質であるスピンによる磁気的性質が引き起こされうることから、以前より関心を集めていました。しかし、重元素から成る物質の大半が属する無機物では、自由にキラリティを選択して物質を合成することは非常に難しく、新しい物質の開発が期待されていました。
東北大学金属材料研究所の谷口耕治准教授、宮坂等教授らは、東京工業大学フロンティア材料研究所の笹川崇男准教授らとの共同研究により、二次元有機・無機ハイブリッドペロブスカイトにおいて、キラリティの制御が可能な重元素から成る新しい半導体の材料設計に成功し、結晶構造のキラリティを反映した光電流が発生することを発見しました。
本研究では、重元素から成る無機骨格にキラルな有機分子カチオンを挿入する材料設計により、強いスピン・軌道相互作用を持ちつつ、キラリティを制御可能な半導体を実現しました。今回開発した半導体では、光を照射すると、結晶の右・左のキラリティで流れる向きが変わる電流が発生することを初めて見出しました。この電流は、スピン・軌道相互作用によりスピンの向きが揃っていることが予想されています。
今後、光照射で磁化反転を制御出来るメモリデバイスのように、光を利用したスピントロニクスへの応用が期待されます。
本研究成果は、材料科学誌「Advanced Materials」（２０２１年３月２３日）に掲載されました。詳細
- プレスリリース本文 [PDF: 909KB]
- Advanced Materials [DOI: 10.1002/adma.202008611]
図 1 円偏光ガルバノ効果の概念図。円偏光の角運動量が電子に与えられ、スピン反転する励起が、スピン・軌道相互作用で分裂した準位間で起こる（赤と青の線は、逆向きスピンを持つバンド）。励起される光キャリアの運動量分布が非対称になるため、ゼロバイアス（外部電場を印加しない状況）下でも電流が発生する。この際、光キャリアがスピンを持つため、スピン偏極電流の発生が期待される。