51探花

【本学研究者情报】

〇本学代表者所属?职?氏名：学际科学フロンティア研究所?助教?山根　结太

【発表のポイント】

• 电気回路で电流の急激な変化をバネのように安定化する性质「インダクタンス」は、その强度と素子の小型化に原理的なトレードオフの関係があります。最近、量子技术によってこの原理的な制限を克服できることが示唆されていましたが、観测结果と基础理论の间に未解明のギャップがありました。
• 今回、电子スピンを制御する技术「スピントロニクス」分野で重要な「スピン轨道结合」の働きを融合することで、未解明であった量子版インダクタンスの増幅メカニズム、および単一素子では不可能だった?负のインダクタンス?の発生メカニズムの両者を特定することに初めて成功しました。
• 両メカニズムの解明により、电子机器の最终的な小型軽量化を左右する「电源回路の小型化」と负のインダクタンスを使った「电磁ノイズ除去技术」の実现に向けた研究を促进できます。
• 本成果は、スピンを介して电力制御を行う新しい技术分野「パワースピントロニクス」を切り拓くものであり、今后量子技术に基づく电源装置の技术革新に贡献することが期待されます。

【概要】

国立研究開発法人日本原子力研究開発機構（理事長　児玉敏雄、以下「原子力機構」という。）先端基礎研究センター スピン-エネルギー変換材料科学研究グループ　家田淳一研究主幹(東北大学電気通信研究所客員教授兼任)は、国立大学法人東北大学（総長　大野英男）学際科学フロンティア研究所 （電気通信研究所兼務）山根結太助教と共同で、电子回路の基本的な性质「インダクタンス」を电子スピンの特性を活用することにより広范囲に制御する新しい方法を见出しました。

インダクタンスとは、导线を流れる电流の変化が诱导起电力となって现れる性质です。インダクタンスを得るためのねじれた导线（コイル）からなる素子をインダクタといい、电流の急激な変化をバネのように安定化することから、电源回路や高周波フィルタ、変圧器等のパワーエレクトロニクス素子（电力制御用半导体素子）に幅広く利用されています。古典电磁気学によると、诱导起电力の大きさは、コイルの巻き数の２乗とコイルの断面积に比例するため、强いインダクタンスを得るためには素子のサイズが自ずと大きくなります。すなわち、小型で强いパワーエレクトロニクス素子の実现には原理的な制限が存在しています。ごく最近、量子技术に基づく新しいインダクタの実现方法である「创発インダクタ」が提案され、従来技术の原理的な制限を克服する试みがはじまりました。しかし、この新しい実现方法には未だ谜が多く、観测された実験结果と基础理论の间には未解明のギャップがありました。

そこで本研究では、スピントロニクスにおける重要因子の一つとして知られる「ラシュバ型のスピン轨道结合」の効果を基础理论に取り込むことで、创発インダクタに与える影响を探りました。その结果、第一にラシュバスピン轨道结合がインダクタンスを飞跃的に増幅すること、第二に磁気の感じる摩擦の効果を通じてインダクタンスの符号を正负どちらにも设计できることを突き止めました。これらにより、未解明だった観测结果の理解を大きく进展させ、创発インダクタを最适化するための设计指针を与えることに成功しました。また、负のインダクタンスを持つ素子は、通常の正のインダクタンスを持つ素子とは逆の作用を持ちます。従って、负のインダクタンスには回路に生じた不要な(正の)インダクタンス由来の电磁ノイズを打ち消す効果があり、高周波回路等への応用が长らく提唱されていたものの、従来の単一素子では実现不可能とされていました。この点でも、本研究による负のインダクタンス発现の新原理発见が果たす意义は大きいと考えられます。

本研究は、スピンを介したエネルギー変换技术の利用により、従来技术では実现が困难であった集积回路等の极微领域での电源回路や负のインダクタといった魅力的な机能を実现させる「パワースピントロニクス」の开発を切り拓くものです。今后さらに研究を进めることにより、情报集约型の未来社会（厂辞肠颈别迟测5.0）を支える基盘量子技术の一环として、幅広く利活用されるようになることが期待されます。

本研究成果は、米国物理学会誌「Physical Review B（フィジカル?レビュー?B）」のLetter(速報)として出版に先立ち、Editors' Suggestion(推薦論文)に採択されるとともに3月4日（現地時間）にオンライン掲載されました。

详细（プレスリリース本文）

问い合わせ先

＜研究に関して＞
东北大学学际科学フロンティア研究所
（兼务　电気通信研究所）
助教　山根结太
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＜报道に関して＞
东北大学学际科学フロンティア研究所
URA 鈴木一行
电话：022-795-4353
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