九州大学、極薄イリジウムマンガン層でスピン流の伝播効率向上を解明

ニュース紹介

「極薄イリジウムマンガン層によるスピン輸送の増強 島状構造がスピン流の高効率輸送を実現」

九州大学大学院システム情報科学研究院の湯浅裕美教授、黒川雄一郎助教、大学院工学府博士課程3年のAmirah Zahrin、修士課程2年の佐原脩飛らの研究グループは、磁石になる物質である磁性体と、磁石につかない非磁性体の界面に着目し、1原子層レベルの極薄層を挿入することで、スピン流の伝播効率が上がることを示しました。

研究グループは、磁性体の中で熱流によるスピンゼーベック効果により生成したスピン流を電流として取り出す実験と、非磁性体の中でスピンホール効果により生成したスピン流を磁性体のスピンと相互作用させるスピンホール磁気抵抗効果の解析を突き合わせ、極薄イリジウムマンガン（IrMn）合金層によるスピン伝播効率の増加を示しました。加えて、ナノ構造解析を用い、キーとなるのは極薄IrMn合金層が島状を成すことであることを見出しました。

本研究成果は、オランダElsevierの雑誌「Materials Today Physics」に日本時間の2026年9月30日に掲載されました。

出典：九州大学 2026年10月28日 プレスリリース／掲載誌：Materials Today Physics／DOI：10.1016/j.mtphys.2026.102247
https://www.kyushu-u.ac.jp/ja/researches/view/1610

FrontJournalの解説

この研究分野について

電子の持つ電気の性質に加え、電子の「スピン」（磁石のような性質）を情報の担い手に使う技術分野を「スピントロニクス」と呼びます。電子の角運動量（回転の勢い）が伝わる流れである「スピン流」は、電子そのものが動かない流れとして、情報量が急増する社会を支える候補に挙がっています。

課題は変換効率です。スピン流は電流など電子回路で扱う物理量に置き換えて使いますが、現状の変換効率は低く、「九州大学」の研究グループは大きな改善の余地があるとしています。

①熱を使う実験と電気抵抗の解析で界面のスピン流を調べる

湯浅裕美教授らが調べたのは、磁性体と非磁性体が接する界面です。論文の題名によると、磁性体はY3Fe5O12（イットリウム鉄ガーネット）、非磁性体は白金で、この間に極薄のイリジウムマンガン合金層を挟んでいます。

実験には「スピンゼーベック効果」（磁性体に温度差を与えると、熱の流れに沿ってスピン流が生じる現象）を使います。生じたスピン流は白金に伝わって電流に変わり、熱起電力（温度差から生じる電圧）として取り出せます。

解析では「スピンホール磁気抵抗効果」（金属に流した電流がスピン流に変わり、隣の磁性体で反射して再び電流に戻るとき、電気抵抗が変化する現象）を調べます。研究グループは両方の結果を突き合わせ、極薄の合金層を入れるとスピンの伝わりやすさが増すと結論づけました。

②連続した膜ではなく島状に分かれた層が鍵

ナノ構造解析（ナノメートル＝10億分の1メートル規模の構造を調べる手法）によって、効果の鍵はイリジウムマンガン層が島状に分かれて並んでいることだと分かりました。層の厚さは1原子層レベルで、研究グループは、不連続な島状の層がスピンの輸送効率を高めると説明しています。

湯浅教授は、磁性体と非磁性体の界面を設計する「界面エンジニアリング」に着目して研究を続けています。元来微弱なスピン流を増強できれば、電子デバイスで電子の回転の力を使える可能性が高まるという見方です。

FrontJournalからのひとこと

今回の成果は、極薄の層の厚さだけでなく、層の形が輸送効率を左右することを示した点に特徴があります。島状という形が鍵になるため、素子を設計するときは、材料の種類や厚さに加えて、層がどう広がるかも条件に加わる可能性があります。デバイスへの応用はこれからの段階ですが、微弱なスピン流を使いこなす指針が得られたことは、スピンを使う素子づくりの土台になります。

FrontJournal編集部