物性研究の目的は物質の最高性能を引き出すことである。当チームではその中でも特に電子のもつ微小磁石、スピン、に関わる新現象を理論的に開拓している。現在の技術であるエレクトロニクスでは電子の電荷と電流のみを利用しているが、スピンの制御が可能となればスピンのもつ情報も加えたスピントロニクスが実現され、今よりもはるかに多量の情報を高速で、また低いエネルギー消費で処理することが可能となる。特に現在重要視されている効果としては物質中のスピンにはたらく強い量子相対論効果があり、これをうまく用いると非常に強い磁石や、スピンのもつ情報を電気信号に高効率で変換したりすることが実現される。解析には主に場の理論という手法を用いている。
スピン―電流変換の理論
スピントロニクスデバイスを、従来のエレクトロニクスに組み込むためには、スピンの運ぶ信号を電気信号に変換することが必要である。我々はスピンの流れの制御及び電流への変換の可能性を理論的に研究している。スピンと電荷の変換は磁化構造やスピン軌道相互作用など多様な起源により引き起こされる。例えば磁化構造にスピン偏極電流を流すと磁化構造が引きずられて流れるというスピン移行効果や、磁化構造中で電子が受けるスピンベリー位相効果、スピン起電力などがよく知られている。またスピン軌道相互作用はスピンホール効果や逆スピンホール効果などスピンと電荷をつなぐ重要な効果を生み出している。我々の研究ではこれらを含むスピン電荷変換現象を有効ゲージ結合という視点で整理し電磁気現象との統一的視点から記述する枠組みを与えることに成功した。この成果はスピントロニクスと従来のエレクトロニクスの融合に大きく貢献すると期待される。
また、スピン流の概念を用いたスピントロニクス現象の記述には原理的な不定性が避けられないが、我々はスピンと電荷の変換現象を、駆動場と測定場を線形応答理論で直接結びつける理論を展開し、不定性なく記述する定式化も行った。
強磁性金属中では伝導電子が磁化構造中を運動する際にスピンの回転をおこし量子力学的位相が生じる。この位相が有効的な磁場や電場としてはたらきスピンに結合する有効電磁場が発生する。
Spin fluctuations simpler than currents, researchers argue
