電子の回転で情報記録!スピントロニクス

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流行りモノから新技術まで! 5分でわかる最新キーワード解説

電子の回転で情報記録!スピントロニクス

2013/07/17


 日々進歩するIT技術は、ともすると取り残されてしまいそうな勢いで進化の速度を高めています。そこでキーマンズネット編集部がお届けするのが「5分でわかる最新キーワード解説」。このコーナーを読めば、最新IT事情がスラスラ読み解けるようになることうけあい。忙しいアナタもサラっと読めてタメになる、そんなコーナーを目指します。今回のテーマはエレクトロニクスの常識を大きく超えた応用が考えられる21世紀の技術「スピントロニクス」の最先端研究。電流を使わず、貴金属材料も使わず、「音波」で情報記録や伝達ができるという新技術を独立行政法人日本原子力研究開発機構・先端基礎研究センター(以下JAEA)が発表しました。難解なスピントロニクスのあらましをこの機会にナナメ読みしてみましょう。

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音波で情報記録や伝達を行う「スピントロニクス」とは?

 電子が持つ「電荷」と「スピン」(後述)という2つの性質のうち、電荷の移動(電流)だけを利用してきたのがこれまでのエレクトロニクス。それにスピン要素も加えて情報記録や伝達、あるいは動力にも使おうというのが「スピントロニクス」だ。

■電子デバイスの低消費電力化と小型化はエレクトロニクスではもう限界

 電子デバイスの世界には2つの大きな課題がある。1つは電力消費の極小化であり、もう1つは電流を流すことで生じる発熱を低減することだ。このうち省エネ化については言うまでもないだろう。発熱の問題は、デバイス内の回路をよりいっそう超微細化するためのネックになる。
 すでにエレクトロニクスでは省エネ化も超微細化も限界に行き着くことが見込まれており、何らかのブレイクスルーが必要とされてきた。その答えとして有望なのがスピントロニクスだ。電子のもつスピンと、スピンが揃った電子が移動してできる「スピン流」なら、熱を発生させず、電力消費もいらない。それで情報の記録や伝達、あるいはモータ駆動などの動力にできるとすれば、超微細な情報機器はもちろんのこと、例えば人体の内部から手術をするナノサイズのロボットだって実現するかもしれない。そんな夢の実現のために、スピン流の生成や制御をどう行うか、ナノレベルの技術開発や基礎研究に世界の研究者がチャレンジしている。

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「スピン」ってそもそも何?

 ではスピンとはそもそも何なのだろう。ちょっと解説してみよう。素粒子研究の中で電子の性質を様々な実験で観測するうち、磁界の中に電子を置くと、それぞれがまるで小さな磁石のような動きをすることがわかった。その動きから、電子が自転している(スピンしている)ことが推測され、その角運動量(回転する勢い)のことを「スピン」と呼ぶようになった。スピンは磁力に関連しており、図1左に示すように電子が反時計回りに回転すると図の下部が磁石のS極、上部がN極に対応するような磁場が生じる。図1の矢印は、その磁力線の向きを表している。ちなみに、物体の磁力は、スピンで生じる磁場を起源とすると考えられている。

■スピン方向を揃えることができれば「スピン流」の生成・制御が可能

 電子の流れ(電流)は図1左上のようにスピンとは無関係に同じ方向に流れる。一方、特殊な方法でスピンの向きを上向きと下向きとに揃えてやると、上向きの電子は右に進み、下向きの電子は左に進むような「動き」が作り出せる。これが「スピン流」と呼ばれるものだ。

図1 スピンのイメージ(左)と電流およびスピン流のイメージ
図1 スピンのイメージ(左)と電流およびスピン流のイメージ
資料提供:JAEA

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