スピンエンジニアリング

スピンエンジニアリングとは、デバイスや材料を開発するために量子スピンシステムを制御および操作することです。これには、スピンに基づく現象のプローブとしてのスピン自由度の使用が含まれます。物理および化学プロセスにおける量子スピンの基本的な重要性のため、スピンエンジニアリングは幅広い科学技術アプリケーションに関連しています。現在の例としては、ボーズ・アインシュタイン凝縮から最先端のハードディスクドライブにおけるスピンベースのデータストレージと読み取り、核磁気共鳴分光法や電子常磁性共鳴分光法などの強力な分析ツールから、量子ビットや磁性ナノ粒子としての磁性分子の開発まで多岐にわたります。さらに、スピンエンジニアリングは、スピンの機能を活用して新しい特性を持つ材料を設計するとともに、従来の材料システムの理解を深め、高度なアプリケーションを提供します。多くの化学反応は、単一分子磁石などの明確に定義されたスピン特性を持つバルク材料または単一分子を作成するために考案されています。この記事の目的は、量子スピンの特性とアプリケーションに重点を置いた研究開発分野の概要を提供することです。

導入

スピンは素粒子の基本的な量子特性の 1 つであるため、広範囲の物理現象や化学現象に関連しています。たとえば、電子のスピンは、元素周期表の基礎となる原子の電子配置において重要な役割を果たしています。強磁性の起源も、スピンに関連する磁気モーメントと、スピンに依存するパウリの排他原理に深く関係しています。したがって、前世紀初頭のミューメタルやアルニコなどの強磁性材料のエンジニアリングは、当時はまだスピンの概念が知られていませんでしたが、スピンエンジニアリングの初期の例として考えることができます。一般的な意味でのスピンエンジニアリングは、1922 年のシュテルン - ゲルラッハの実験でスピンの最初の実験的特性評価が行われ、その後ポールディラックによって相対論的量子力学が開発されて初めて可能になりました。この理論は、電子のスピンとその磁気モーメントを考慮した最初の理論でした。

スピン工学の物理学は、20 世紀初頭の量子化学と量子物理学の画期的な発見にまで遡りますが、スピン工学の化学的側面は、特にここ 20 年間で注目を集めています。今日、研究者は、磁性と化学反応性の関係、金属の微細構造に関連する機械的特性、スピン (光受容体タンパク質など)とスピン輸送の生化学的影響などの現象の背後にある基本原理を理解し、活用するために、分子磁石やその他のモデルシステムの設計と合成などの専門的なトピックに焦点を当てています。

スピンエンジニアリングの研究分野

スピントロニクス

スピントロニクスは、電子の固有スピンと固体デバイスにおけるその基本的な電子電荷の両方を利用するもので、スピンエンジニアリングの一部です。スピントロニクスは、磁気ハードディスクドライブの読み取りヘッドなどのエンドユーザーデバイスに見られる多くの重要な発明を伴う、おそらくスピンエンジニアリングの最も先進的な分野の 1 つです。このセクションは、基本的なスピントロニクス現象とそのアプリケーションに分かれています。

基本的なスピントロニクス現象

巨大磁気抵抗効果 (GMR)、トンネル磁気抵抗効果 (TMR)、スピンバルブ
スピン伝達トルク（STT）
スピン注入
純粋なスピン流
スピンポンピング^[1]
スピン波、マグノニクス
（逆）スピンホール効果^[2]^[3]
スピンカロリクス、スピンゼーベック効果^[4]^[5]

スピントロニクスの応用

このセクションでは、いくつかの基本的なスピントロニクス現象の 1 つまたは組み合わせを利用するスピントロニクスの現在のアプリケーションと将来のアプリケーションについて説明します。

スピン材料

量子スピンによって特性が決定されるか、または強く影響を受ける材料:

磁性合金、すなわちホイスラー化合物
グラフェンシステム
有機スピン材料^[8]
分子ナノ磁石
磁性分子
有機ラジカル
人工磁性を持つメタマテリアル

スピンベースの検出

スピンに基づく現象を介して材料や物理的または化学的プロセスを特徴付ける方法:

参考文献

^ Y Tserkovnyak; et al. (2002). 「強磁性薄膜におけるギルバート減衰の強化」. Physical Review Letters . 88 (11): 117601. arXiv : cond-mat/0110247 . Bibcode :2002PhRvL..88k7601T. doi :10.1103/PhysRevLett.88.117601. PMID 11909427. S2CID 23781506.
^ C Sandweg; et al. (2011). 「パラメトリック励起交換マグノンによるスピンポンピング」. Physical Review Letters . 106 (21): 216601. arXiv : 1103.2229 . Bibcode :2011PhRvL.106u6601S. doi :10.1103/PhysRevLett.106.216601. PMID 21699324. S2CID 14519388.
^ S Takahashi および S Maekawa (2008). 「スピン電流、スピン蓄積、スピンホール効果」.先端材料科学技術. 9 (1): 014105. Bibcode :2008STAdM...9a4105T. doi :10.1088/1468-6996/9/1/014105. PMC 5099800. PMID 27877931 .
^ JC Le Breton; et al. (2011). 「ゼーベックスピントンネルによる強磁性体からシリコンへの熱スピン電流」Nature . 475 (7354): 82–85. Bibcode :2011Natur.475...82L. doi :10.1038/nature10224. PMID 21716285. S2CID 4422579.
^ K. Uchida; et al. (2011). 「長距離スピンゼーベック効果と音響スピンポンピング」. Nature Materials . 10 (10): 737–741. arXiv : 1103.6120 . Bibcode :2011NatMa..10..737U. doi :10.1038/nmat3099. PMID 21857673. S2CID 118009611.
^ GE BauerとY Tserkovnyak (2011). 「スピン-マグノン変換」.物理学. 4:40 . Bibcode :2011PhyOJ...4...40B. doi : 10.1103/Physics.4.40 .
^ Y Kajiwara; et al. (2010). 「磁性絶縁体におけるスピン波相互変換による電気信号の伝送」Nature . 464 (7286): 262–266. Bibcode :2010Natur.464..262K. doi :10.1038/nature08876. PMID 20220845. S2CID 4426579.
^ S Sanvito; et al. (2011). 「有機スピントロニクス：分子によるスピンのフィルタリング」. Nature Materials . 10 (7): 484–485. Bibcode :2011NatMa..10..484S. doi :10.1038/nmat3061. PMID 21697848.

外部リンク

アルベール・フェール（ノーベル物理学賞（2007年））、「スピントロニクスの起源、発展、そして未来」、ノーベル講演の PDF 版は nobelprize.org でご覧いただけます。
ピーター・グリュンベルク（ノーベル物理学賞（2007年））、「スピン波から巨大磁気抵抗（GMR）まで、そしてその先へ」、ノーベル講演の PDF 版は nobelprize.org でご覧いただけます。
スウェーデン王立科学アカデミー物理学部がまとめた巨大磁気抵抗効果の発見の科学的背景
IBM Research ホームページの GMR センサーのアニメーション
アルベール・フェール（ノーベル物理学賞（2007年））の質問に対するビデオ回答：「スピンとは何か？」
グラフェンにおける純粋なスピン流の創出、Physorg.com の記事^{[永久リンク切れ‍ ]}

[1] Y Tserkovnyak; et al. (2002). 「強磁性薄膜におけるギルバート減衰の強化」. Physical Review Letters . 88 (11): 117601. arXiv : cond-mat/0110247 . Bibcode :2002PhRvL..88k7601T. doi :10.1103/PhysRevLett.88.117601. PMID 11909427. S2CID 23781506.

[2] C Sandweg; et al. (2011). 「パラメトリック励起交換マグノンによるスピンポンピング」. Physical Review Letters . 106 (21): 216601. arXiv : 1103.2229 . Bibcode :2011PhRvL.106u6601S. doi :10.1103/PhysRevLett.106.216601. PMID 21699324. S2CID 14519388.

[3] S Takahashi および S Maekawa (2008). 「スピン電流、スピン蓄積、スピンホール効果」.先端材料科学技術. 9 (1): 014105. Bibcode :2008STAdM...9a4105T. doi :10.1088/1468-6996/9/1/014105. PMC 5099800. PMID 27877931 .

[4] JC Le Breton; et al. (2011). 「ゼーベックスピントンネルによる強磁性体からシリコンへの熱スピン電流」Nature . 475 (7354): 82–85. Bibcode :2011Natur.475...82L. doi :10.1038/nature10224. PMID 21716285. S2CID 4422579.

[5] K. Uchida; et al. (2011). 「長距離スピンゼーベック効果と音響スピンポンピング」. Nature Materials . 10 (10): 737–741. arXiv : 1103.6120 . Bibcode :2011NatMa..10..737U. doi :10.1038/nmat3099. PMID 21857673. S2CID 118009611.

[6] GE BauerとY Tserkovnyak (2011). 「スピン-マグノン変換」.物理学. 4:40 . Bibcode :2011PhyOJ...4...40B. doi : 10.1103/Physics.4.40 .

[7] Y Kajiwara; et al. (2010). 「磁性絶縁体におけるスピン波相互変換による電気信号の伝送」Nature . 464 (7286): 262–266. Bibcode :2010Natur.464..262K. doi :10.1038/nature08876. PMID 20220845. S2CID 4426579.

[8] S Sanvito; et al. (2011). 「有機スピントロニクス：分子によるスピンのフィルタリング」. Nature Materials . 10 (7): 484–485. Bibcode :2011NatMa..10..484S. doi :10.1038/nmat3061. PMID 21697848.