51探花

【本学研究者情报】

〇大学院理学研究科
准教授　松原正和（まつばらまさかず）

【発表のポイント】

• ナノ空间（ナノは10亿分の1）の対称性を人工操作した磁性メタマテリアル^注１）を新たに开発
• 电子スピン^注２）の流れ（スピン流^注３））を光の偏光^注４）状态により超高速で完全制御する新原理を开拓
• 次世代のスピントロニクス^注５）デバイス设计の自由度を飞跃的に向上、超高速光スピントロニクスへの応用に期待

【概要】

近年、电子が持つ小さな磁気の性质（スピン）を积极的に利用するスピントロニクス技术が、低消费电力?高密度なデバイス実现の観点から注目を集めています。スピントロニクス机能の多くは、电流（电荷の流れ）のスピン版であるスピン流（スピンの流れ）によって駆动されるため、スピン流の革新的な生成?制御手法の开拓が求められていました。

今回、东北大学大学院理学研究科の松原正和 准教授らは、ナノ空間の対称性を人工操作した磁性メタマテリアルを新たに开発し、室温かつ超高速で、スピン流の伝搬方向や大きさを光パルス^注６）の偏光状态により完全制御する新原理を开拓しました（図1）。この成果は、次世代のスピントロニクスデバイス设计の自由度を飞跃的に向上させるだけでなく、従来の光科学技术?スピントロニクス技术をナノテクノロジーにより横断的かつ重层的に集积?発展させる超高速光スピントロニクスへの応用が期待されます。

本研究は、名古屋大学未来材料?システム研究所の加藤剛志 教授と岩田聡 教授（当時）、京都大学理学研究科の柳瀬陽一 教授、東京大学先端科学技術研究センターの渡邉光 助教らと共同で行ったものです。

本研究成果は、2022年11月7日（英国時間）発行の英国科学雑誌「Nature Communications」に掲載されました。

図１　研究の概念図
上段：光の偏光状态を表すポアンカレ球。光の任意の偏光状态は、ポアンカレ球上のある1点に対応する。赤道上の点はすべて直线偏光、北极と南极は左右円偏光、それ以外の点は楕円偏光に対応する。纬度によって偏光方向 θ_ω を表し、経度によって楕円率角 ε_ω を表すことで、光の任意の偏光状态を表すことができる。
下段：ナノ空间の対称性を人工操作した磁性メタマテリアルを用い、非接触かつバイアス印加无しで、光の偏光自由度（偏光方向 θ_ω、楕円率角 ε_ω）の利用によりスピン流（スピン偏极电流）J_m の伝搬方向 θ_m や大きさ |J_m| を超高速で完全制御する。

【用语解説】

注１）（磁性）メタマテリアル
自然界の物质では不可能な光応答を可能とする、光（电磁波）の波长よりも小さな构造を持つサブ波长人工物质のこと。メタマテリアルを使うと、例えば、负の屈折、完全レンズ、クローキング（透明マント）など、これまで不可能だった新しい技术の开発が期待されている。メタマテリアルを磁性体で作製したものは磁性メタマテリアルと呼ばれる。

注２）（电子）スピン
電子が持つ自転のような性質で、电子スピンは磁気（微小な磁石）を帯びている。电子スピンは物質の磁性の源である。

注３）スピン流
電荷の流れである電流と対比して、电子スピンの流れをスピン流と呼ぶ。特に、電荷とスピンの両者が流れる場合はスピン偏極電流と呼ばれ、電荷の流れを伴わない純粋なスピンの流れは純スピン流と呼ばれる。

注４）偏光
光は电场と磁场（电磁场）の振动が空间を伝わる波であり、この振动方向が揃ったものを偏光と呼ぶ。光の伝搬方向と垂直面内での电磁场の振动を见るとき、振动方向の轨跡が直线的な场合を直线偏光、振动方向の轨跡が円を描く场合を円偏光と呼ぶ。

注５）スピントロニクス
従来のエレクトロニクス（电子の电荷としての性质を利用する技术）に、电子が持つ磁石の性质（スピン）を取り入れる技术のこと。既存エレクトロニクスデバイスの限界打破と新机能の実现が期待されている。

注６）光パルス
短时间のみ翱狈となる光。通常の光（连続光）は时间的に一定の强度を持つのに対して、パルス光の强度は短い时间に集中している。特に、パルス幅（时间幅）が极めて短く、数百フェムト～数フェムト秒（フェムトは1000兆分の1）のパルス幅を持つ光パルスは超短光パルスと呼ばれる。

详细（プレスリリース本文）

问い合わせ先

＜研究に関すること＞
东北大学大学院理学研究科
准教授　松原　正和（まつばら　まさかず）
电话：022-795-6421
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（*を蔼に置き换えてください）

＜报道に関すること＞
东北大学大学院理学研究科広報?アウトリーチ支援室
电话：022-795-6708
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（*を蔼に置き换えてください）