토호쿠대학(토호쿠대)은, 반도체 트랜지스터 구조를 이용해전자 스핀의 방향을 가지런히 한 채로 영구적으로 회전할 수 있는 상태(스핀 영구 선회 상태)를 만들어 내는 것에 성공했다고 발표했다.
이것에 의해, 차세대 전력 절약・고속 반도체 디바이스의 실현을 기대할 수 있다고 한다.
동성과는, 같은 대학 대학원 공학 연구과호전성준교수, 동연구과국교요 츠카사 박사 후기 과정 학생, 동연구과 닛타 쥰작 교수, 레이겐스브르크 대학(독일) 등의 연구 그룹에 의하는 것.
자세한 것은, 미국 과학잡지 「Physical Review B」의 속보판에 8월 27일부로 게재되었다.
반도체 디바이스에는, 전자가 가지는「전하」가 활용되고 있다.전자는 전하와 함께「스핀」로 불리는 자석의 성질도 가지지만, 종래, 쌍방을 동시에 이용할 것은 없었다.
스핀에는 향상되어 스핀과 하향 스핀이 존재해, 미소 자석의 오름새와 하향에 대응시킬 수 있기 위해, 반도체에 대해 전하와 함께 스핀을 이용할 수 있으면, 전하가 가지는 연산 기능과 스핀이 가지는 기록 기능을 1개의 소자로 겸비하는, 차세대의 반도체 디바이스를 실현할 수 있게 된다.이것을 실현하기 위해서는, 전자 스핀의 방향을 정밀하게 제어해, 한편 스핀의 방향을 오랫동안 보관 유지할 필요가 있다.
반도체에 대해 전기적으로 스핀 제어를 실시하려면 , 스핀 궤도 상호작용을 이용한다.
스핀 궤도 상호작용은, 외부에서 자장을 인가하지 않아도 전자 스핀에 대해 유효적인 자장으로서 일하기 위해, 스핀의 방향을 자재로 제어하는 것이 가능하고, 전기적 스핀 제어에 필요 불가결하지만, 동시에 스핀의 방향을 뿔뿔이 흩어지게 하는 스핀 완화의 원인이기도 하기 위해, 지금까지 전기적 스핀 제어를 실현하면서, 스핀 완화를 억제하는 것은 곤란이라고 생각되어 왔다.
이러한 생각에 대해 2003년, 독일의 이론 그룹이 스핀 궤도 상호작용이 존재해도, 스핀 완화가 완전하게 억제할 수 있는 스핀 영구 선회 상태의 존재를 예언했다(그림 1).
통상, 전자는 다양한 방향으로 움직이기 위해, 서로 이웃이 되는 스핀의 방향도 거기에 맞추어 뿔뿔이 흩어져, 스핀 완화가 생긴다.
한편, 스핀 영구 선회 상태에서는, 서로 이웃이 되는 전자가 따로 따로 움직여도 전자 스핀은 항상 서로 같은 방향을 보관 유지하고 있어, 스핀 완화가 생기지 않는다.이 스핀 영구 선회 상태를 실현하려면 , 반도체에 존재하는 2 종류의 스핀 궤도 상호작용(라슈바스핀 궤도 상호작용과 드렛세르하우스스핀 궤도 상호작용)을 동시에 제어해 서로의 힘을 동일하게 할 필요가 있었다.
이것을 받아 2009년, 캘리포니아 대학의 그룹이, 다른 시료를 얼마든지 준비한 다음 광학적인 관측 수법을 이용하고, 스핀 영구 선회 상태의 관측을 실시하고 있지만, 실용적인 차세대 반도체 디바이스를 실현하기 위해, 현재의 일반적인 트랜지스터 구조를 이용하고, 스핀 영구 선회 상태를 실현하는 것이 요구되고 있었다.
(그림 1) 반도체에 있어서의(a) 통상의 스핀 완화와(b) 스핀 영구 선회 상태
(그림 2)
(a) 본연구로 이용한 트랜지스터 구조의 모식도.
(b) 다른 게이트 전압에 있어서의 자기 전도 특성 측정 결과
이번, 연구 그룹은, 그림 2에 나타낸 실험 결과에 의해, 트랜지스터 구조를 이용한 스핀 영구 선회 상태의 전기적 제어를 실현하는 것에 성공했다.2 종류의 스핀 궤도 상호작용을 정밀하게 제어하기 위해(때문에), 화합물 반도체인 InGaAs를 이용한 2 차원 전자 가스 구조를 설계해, 그림 2(a)에 나타내는 트랜지스터를 제작.
트랜지스터에는 게이트 전극이 장착되어 이 게이트에 인가하는 전압의 힘에 의해, 라슈바스핀 궤도 상호작용의 힘을 자재로 변화시키는 것을 가능과 아래.스핀 궤도 상호작용의 힘이 바뀌면, 트랜지스터의 자기 전도 특성이 바뀌는 것을 이용하고, 2 종류의 스핀 궤도 상호작용의 상대적인 힘이 어떻게 변화하는지를 계통적으로 조사했는데(그림 2(b)),
게이트 전극에―7.0 V를 인가하면, 스핀 영구 선회 상태로 관측되는 약국 재상태가 나타나 트랜지스터 구조를 이용해 스핀 영구 선회 상태의 전기적 제어가 가능하다라고 하는 것이 확인되었다.
게다가 독일의 레이겐스르브르크 대학에 있어서의 연구에서, 2 종류의 스핀 궤도 상호작용의 힘을 광학 측정에 의해 정밀하게 측정해, 라슈바스핀 궤도 상호작용과 드렛세르하우스스핀 궤도 상호작용의 힘의 비가 1.08인 것이 판명.
이것은, 이론 예상인 1(=라슈바 및 드렛세르하우스스핀 궤도 상호작용이 동일한 상태)에 한해 없고 가까운 값이었다고 한다.
연구 그룹에서는, 이번 성과에 의한 스핀 영구 선회 상태를 이용하는 것으로, 스핀을 이용한 인버터 회로의 실현이 가능해지면 하고 있어, 그림 3과 같은 회로 구조를 제안하고 있어 이러한 인버터 회로는, 지금까지 CMOS 트랜지스터에 의해 실현되어 집적회로를 구성하는 기본 요소가 되고 있었지만, 향후는, 스핀을 이용한 저소비 전력 트랜지스터나 집적회로로 발전시킬 수 있다고 코멘트하고 있다.
그림 3 스핀 영구 선회 상태를 이용한 인버터 회로의 모식도.
http://news.mynavi.jp/news/2012/09/11/052/
