電流に替わる新たな物理量として注目のスピン流。研究を支援するホーム研究情報2015電流に替わる新たな物理量として注目のスピン流。生成し、それに伴う電流ゆらぎの検出に成功しました。発展に寄与すると期待されます。Suggestion」(編集部による注目論文)に選ばれました。(雑音)が素電荷と電流の平均値に比例するという普遍的な性質を持つと指摘しました。このゆらぎは真空管の陰極からランダムに放出される電子の分配過程と電荷の離散性に起因した現象で、ショット雑音と呼ばれています。ショットとは「粒」のことで、電荷の離散性を端的に表しています。ところで、電子は電荷だけでなくスピンという自由度も持つため、スピンの離散性も電流のゆらぎに何らかの影響を与えるのではないかと考えるのは自然な発想です。スピンに起因したショット雑音については理論的な提案があったものの、実験的な検証は行われてきませんでした。本研究チームはトンネル接合にスピン流を印加し、それに伴うショット雑音の検出に成功しました。スピン流は電流に替わる新たな物理量として注目されており、近年、その生成・検出手法が盛んに研究されています。本研究では、強磁性半導体(Ga,Mn)Asと非磁性半導体GaAsからなるトンネル接合にスピン流を印加し、電流ゆらぎを測定しました(図1)。(図2)に概念的に示すように、トンネル接合に流れるスピン流と電流を独立に制御することで、ショット雑音に含まれる電流とスピン流の寄与を分離して評価しました。その結果、スピン流の絶対値が求まると同時に、ショット雑音とスピン流の比例関係が実証されました。この結果はトンネル過程において電荷とスピンが一体となってトンネルしていることの直接的な帰結です。本研究では極めて高精度な電流ゆらぎ測定技術を駆使して、スピン流の生成に伴う電子系の温度上昇を実測しました。スピン流の非平衡状態の研究を発展させていくと期待されます。本研究成果が社会に与える影響(本研究成果の意義)ショット雑音測定は現在までに電子デバイスや人工量子系(メゾスコピック系)の物理の発展に大きく貢献してきました。スピン流に伴うショット雑音も同様に、スピン軌道相互作用や不純物によるスピン散乱、伝導電子と局在スピン間のスピンモーメントの輸送(スピントランスファー効果等)などのスピンに依存した伝導現象を解明する新たな手法になると期待されます。従来、スピン流の検出を行うには強磁性体や、スピンホール効果を用いてスピン流を電流に変換する必要がありました。ショット雑音による方法を発展させれば、原理的に物質に依存せず、スピン流の絶対値を直接求めることが可能です。Letters」のオンライン速報版に発表され、「Editors'Suggestion」(編集部による注目論文)に選ばれました。補助を受けて行われました。(Ga,Mn)Asから非磁性半導体GaAsにスピン注入電流を流すことでスピン流を生成します。この時、右方向に純スピン流が流れ、赤字で示した検出用のトンネル接合にスピン流を印加することができます。ショット雑音の概念図(左図)トンネル接合において電子が散乱されショット雑音が発生している様子。この図は1918年のショットキーの理論に基づく古典的なショット雑音の発生を示している。(右図)正味の電流がなく、スピン流だけが存在する場合にもショット雑音は発生する。伝導体を流れる電流はアップスピン電子によるものとダウンスピン電子によるものの2種類に分けることができる。通常の電流はこれら2つの和であるのに対し、スピン流は2つの差である。2種類の電流の絶対値が等しく方向が逆の場合を純スピン流と呼ぶ。この場合は正味の電流はなく、スピンモーメントのみが伝導体を流れる。スピントロニクス電子がもつ電荷だけでなくスピンを積極的に利用することで新機能を持ったデバイス開発を目的とした研究分野。電流ゆらぎ試料で発生する電流の時間的なゆらぎ(雑音)であり、主に熱的なゆらぎに起因する熱雑音と電子の分配過程に起因するショット雑音からなる。通常測定では、電流の時間的なゆらぎを高速フーリエ変換によって電流スペクトル密度に変換して評価するのが一般的である。