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電子の電荷・スピン・位相を駆使した物性制御

[慶應スピントロニクス 研究連携先 - 小野研究室, 京都大学] 化学研究所の小野研究室では、金属・半導体などを組み合わせてナノスケールの人工物質を作り出し、電子の電荷・スピン・位相の織り成す多彩な物性の制御を目指した研究を行っています。 Q「特に私たちが注目しているのが、電子のスピンと磁石との相互作用でして、例えばその磁石に電流を流したときに磁石がどのような反応をするかといったことを調べて、そこで新しい物性機能を引き出してデバイスの応用に繋げたいとそういう風な研究でやっています。」 人工ナノ物質を作り出す為には、様々な装置での測定手法が必要とされます。 小野研究室では、超高真空蒸着装置による原子層単位での多層膜作製と、 電線リソグラフィーを用いたナノスケールメートルの微細加工に取り組んでいます。 Q「真空を作りまして、その中で鉄でも金でも熱を加えて溶かして、液体になった表面から原子が蒸発すると。で、その原子を基盤に付着させるということで、人工物質をつくることができる装置です。 電線描画装置というのは、電子線を出しまして、それをナノメートルに集光しまして、それを筆として基盤の上で描画することで、ナノメートルの構造体をつくる装置です。一般的にみなさんが使っているようなコンピュータなどの半導体素子の作製に使われているものです。」 量子力学の分野においては、極度に小さな粒子のために「量子ノイズ」と呼ばれる測定中の変動が発生します。このノイズのメカニズムを解明するため、小野研究室では希釈冷凍機と呼ばれる装置を用いて絶対零度に近いところでの量子効果を測定、そしてそこで起こるノイズを測定しています。 Q「電子の自由度が二次元に閉じ込められたようなところで起こる、量子的な干渉効果の測定を行ったりとか、あるいはトンネル磁気抵抗効果を示すような、そういうものの量子力学的なノイズ、雑音というのはどうなっているのかというのを極低温で測定したりしています。 デバイスの感度とかというのは雑音とのシグナルの比で検出されるものなんですけれども、そういう時のノイズというのはどのような由来できているのかとか、どういうメカニズムなのかが分かれば、その雑音を押さえることができたりデバイスの限界を予言できたりできるということで、重要な研究と思っています。」 ナノメートルの精度で物質を加工する微細加工技術と、元素を原子レベルで制御し組み合わせる物質開発。 このようなスピントロニクス研究は、次世代の電子材料の基盤技術となり、やがて私たちの生活を支えるものと期待されています。 Q「ナノテクノロジーを使うということで、物性研究をする理想の舞台を自分たちで設計して、その舞台の中で何が起こるのかというのを、設計のもとに研究ができるというのがやはり醍醐味でありまして、その結果として期待通りのことが起こったり、あるいは全く期待はずれなことが起こって、そこから何故そうなるのかを研究することで、全く思いもつかなかった新しい現象を見つけられる可能性があるというところが一番の楽しさだと思っています。」