近年、電子が持つ小さな磁気の性質（スピン）を積極的に利用するスピントロニクス技術が、低消費電力・高密度なデバイス実現の観点から注目を集めています。スピントロニクス機能の多くは、電流（電荷の流れ）のスピン版であるスピン流（スピンの流れ）によって駆動されるため、スピン流の革新的な生成・制御手法の開拓が求められていました。
今回、国立大学法人東海国立大学機構 名古屋大学未来材料・システム研究所の加藤剛志 教授と岩田聡 教授（当時）は、ナノ空間の対称性を人工操作した磁性メタマテリアルを新たに開発し、室温かつ超高速で、スピン流の伝搬方向や大きさを光パルス^注６）の偏光状態により完全制御する新原理を開拓しました。この成果は、次世代のスピントロニクスデバイス設計の自由度を飛躍的に向上させるだけでなく、従来の光科学技術・スピントロニクス技術をナノテクノロジーにより横断的かつ重層的に集積・発展させる超高速光スピントロニクスへの応用が期待されます。
本研究は、東北大学大学院理学研究科の松原正和 准教授、京都大学理学研究科の柳瀬陽一 教授、東京大学先端科学技術研究センターの渡邉光 助教らと共同で行ったものです。
本研究成果は、2022年11月7日（英国時間）発行の英国科学雑誌「Nature Communications」に掲載されました。

【ポイント】

* ナノ空間（ナノは10億分の1）の対称性を人工操作した磁性メタマテリアル^注１）を新たに開発
* 電子スピン^注２）の流れ（スピン流^注３））を光の偏光^注４）状態により超高速で完全制御する新原理を開拓
* 次世代のスピントロニクス^注５）デバイス設計の自由度を飛躍的に向上、超高速光スピントロニクスへの応用に期待

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【用語解説】

注１）（磁性）メタマテリアル
自然界の物質では不可能な光応答を可能とする、光（電磁波）の波長よりも小さな構造を持つサブ波長人工物質のこと。メタマテリアルを使うと、例えば、負の屈折、完全レンズ、クローキング（透明マント）など、これまで不可能だった新しい技術の開発が期待されている。メタマテリアルを磁性体で作製したものは磁性メタマテリアルと呼ばれる。

注２）（電子）スピン
電子が持つ自転のような性質で、電子スピンは磁気（微小な磁石）を帯びている。電子スピンは物質の磁性の源である。

注３）スピン流
電荷の流れである電流と対比して、電子スピンの流れをスピン流と呼ぶ。特に、電荷とスピンの両者が流れる場合はスピン偏極電流と呼ばれ、電荷の流れを伴わない純粋なスピンの流れは純スピン流と呼ばれる。

注４）偏光
光は電場と磁場（電磁場）の振動が空間を伝わる波であり、この振動方向が揃ったものを偏光と呼ぶ。光の伝搬方向と垂直面内での電磁場の振動を見るとき、振動方向の軌跡が直線的な場合を直線偏光、振動方向の軌跡が円を描く場合を円偏光と呼ぶ。

注５）スピントロニクス
従来のエレクトロニクス（電子の電荷としての性質を利用する技術）に、電子が持つ磁石の性質（スピン）を取り入れる技術のこと。既存エレクトロニクスデバイスの限界打破と新機能の実現が期待されている。

注６）光パルス
短時間のみONとなる光。通常の光（連続光）は時間的に一定の強度を持つのに対して、パルス光の強度は短い時間に集中している。特に、パルス幅（時間幅）が極めて短く、数百フェムト～数フェムト秒（フェムトは1000兆分の1）のパルス幅を持つ光パルスは超短光パルスと呼ばれる。

【論文情報】

雑誌名：Nature Communications
論文タイトル：Polarization-controlled tunable directional spin-driven photocurrents in a magnetic metamaterial with threefold rotational symmetry
著者：Masakazu Matsubara, Takatsugu Kobayashi, Hikaru Watanabe, Youichi Yanase, Satoshi Iwata, and Takeshi Kato
DOI番号：10.1038/s41467-022-34374-7
URL：https://doi.org/10.1038/s41467-022-34374-7

【研究代表者】

未来材料・システム研究所　加藤 剛志　教授
http://www.nuee.nagoya-u.ac.jp/labs/kato-lab/index.html