本研究成果は、4月11日付けの米国化学会誌 Nano Lettersに掲載される予定です。

近年、電子情報機器の小型化、高速化、省エネルギー化に伴い、「スピントロニクス」という新たな技術を用いた素子の開発が精力的に行われています。スピントロニクスは、電子がもつ磁石としての性質（スピン ）を利用した技術で、電子のスピンの上向きと下向きの状態を、デジタル信号の「0」と「1」に対応させています。スピンの伝達や制御には抵抗による熱が発生しないことから、消費エネルギーを大きく減らすことができます。このスピントロニクスデバイスの実現のためには、構成要素となる材料の開発が非常に重要です。既に実用化された素子として、強磁性金属をベースにした磁気抵抗メモリ（MRAM） があり、ほとんど電力を消費しないコンピューターへの期待が高まっています。一方、従来型素子の主力材料である半導体は、磁石としての性質を持っていないため、電気信号によりスピンの向きを揃えたりする事ができません。しかし、最近の研究によって、重い金属の表面や半導体同士の界面に「ラシュバ効果」と呼ばれるスピンの向きを揃える効果があることが分かってきました。ラシュバ効果はスピン軌道相互作用 という相対論効果によって電子の運動方向とスピンの向きが連動する現象で、このラシュバ効果を利用することで、スピントロニクス素子の高集積化・高速化が可能となると期待されています（図1）。このように応用へ大きな可能性を持つラシュバ効果ですが、これを用いたデバイス作成には大きな障害がありました。一つは、実際のデバイスを構成する半導体界面では、相対論効果が弱いためにラシュバ効果も小さくなってしまうこと、もう一つは、界面の電子状態の実験的観測が難しく、そのラシュバ効果について理解が乏しかったことです。高速・省エネルギーのスピントロニクスデバイスの開発には、これらの障害を乗り越えることが必要でした。

今回、東北大と大阪大の共同研究グループは、スピン分解光電子分光法 という手法（図2）を用いて、ビスマス（Bi）金属薄膜について、その電子スピン状態の決定を試みました。研究グループは、シリコン（Si）半導体表面にビスマス薄膜試料を作成し、東北大で開発した「超高分解能スピン分解光電子分光装置」（図3）を用いて実験を行いました。重い金属であるビスマスは、その表面において強いラシュバ効果を示し、電子は運動方向に対して垂直の向きに大きなスピンの偏りを示します。今回、研究グループは、Bi薄膜の厚さを薄くしていくと、表面電子のスピンの偏りの大きさが系統的に変化していくことを世界で初めて観測しました（図4）。さらに、電子のエネルギー状態も薄膜の厚さに応じて大きく変化する事が分かり、理論解析の結果、Bi／Si界面（接合面）には、Bi表面とスピンの向きが反対となるラシュバ効果が発生していることを突き止めました（図5）。また、その大きさが、従来の半導体同士の界面で起きているラシュバ効果に比べて非常に大きいことも見出されました。

今回の研究は、これまで観測することが難しかった金属-半導体界面の電子スピン状態が、表面と同じ構造を持つことを実験的に初めて明らかにしたものです。さらに、今回観測されたBi／Si界面のラシュバ効果は、半導体の界面で起こるラシュバ効果に比べて格段に大きく、より小さな電力でスピンを精度良く制御することが可能であり、省エネルギーで高精度のスピントロ二クスデバイスには非常に有効であると考えられます。今後、今回観測された金属-半導体界面における巨大ラシュバ効果を利用した新しいスピントロニクス素子の開発が大きく進展することが期待されます。

本成果は、日本学術振興会 科学研究補助金 基盤研究（Ｓ）「超高分解能3次元スピン分解光電子分光による新機能物質の基盤電子状態解析」（研究代表者：高橋 隆）によって得られました。

図1　ラシュバ効果の模式図

図2　スピン分解光電子分光法の原理

図3　超高分解能スピン分解光電子分光装置の写真

図4　Bi薄膜の光電子強度プロットとスピン分解光電子スペクトル

どの厚さの膜でもスピンの上向きのスペクトル強度が強くでていますが(中段)、膜の厚さが薄くなるにつれて、上向きスピンの大きさが小さくなっています(下段)。これは、図5のように界面の電子スピンが影響していることに対応します。

図5　Si上のBi薄膜における表面と界面のスピン方向の模式図

今回の研究によって、Siの上に作成されたBi薄膜では、表面と界面が同じような構造をしている可能性が高いことがわかりました。表面でA(B)の位置にいる電子は、界面ではB(A)の位置にいる電子と同じ性質を持ちます。違う性質をもった電子同士は互いの影響を受けますが、薄い膜ほど強く影響を受けるので、図4のような結果が得られたと考えられます。