半導体内の電子スピン波を自由に制御できる技術を確立

─電子スピン波を活用する次世代情報処理基盤を開拓─

2025年4月10日 11:00

研究者情報

〇大学院工学研究科 知能デバイス材料学専攻
教授　好田誠
研究室ウェブサイト

発表のポイント

従来の技術と比べて、半導体の中で電子スピン波^（注1）の波長や空間構造をより自由に制御可能な新たな手法を開発しました。
本手法は、半導体のみならず磁性薄膜や二次元材料への応用も可能です。
本技術を拡張することで、電子スピン波を利用した次世代情報処理技術への応用展開につながると期待されます。

発表概要

半導体におけるスピン状態の精密な制御は、次世代のスピントロニクスデバイスの実現に不可欠です。特に半導体中でスピンのらせん構造である電子スピン波が長時間維持される永久スピン旋回（PSH）状態^（注2）は情報ストレージや演算デバイスの基盤技術として注目されていますが、従来の電子スピン波生成技術では、波数（単位長さに含まれる波の数）の柔軟な制御ができない制約がありました。
東北大学大学院工学研究科の菊池奎斗大学院生、石原淳助教、山本壮太特任助教、好田誠教授（兼 量子科学技術研究開発機構 量子機能創製研究センター プロジェクトリーダー）、筑波大学数理物質系の大野裕三教授、東京理科大学先進工学部物理工学科の宮島顕祐教授らの研究グループは、プログラム可能な空間光変調器（SLM）^（注3）を用いた構造化光^（注4）を利用し、ガリウム・ヒ素（GaAs）/アルミニウム・ガリウム・ヒ素（AlGaAs）の量子井戸^（注5）中に任意の電子スピン波を直接転写することに成功しました。今回の技術では従来技術の制約を克服し、より高度なスピン構造制御が可能となりました。
本手法は半導体スピントロニクスの新たな応用可能性を拓き、情報処理デバイスや磁性薄膜、二次元材料への展開が期待されます。
本成果は、米国物理学会の学術誌Physical Review Appliedに4月7日付で掲載され、Editors' Suggestionにも選ばれました。

図1. (a)～(c)水平方向に約147画素、水平方向に約74画素、垂直方向に約98画素ごとに2πの位相シフトを誘起する入力電圧をSLMに印加し、試料から反射されたポンプビームの光から円偏光成分S₃/S₀を抽出した。(d)-(f)それぞれ(a)-(c)に対応する励起直後のt=0 psにおけるカー信号の空間マップ。

用語解説

注1. 電子スピン波：特定のスピン軌道相互作用の条件下でスピンのらせん状パターンが形成され、波のように扱える状態のこと。電子スピン波は、スピントロニクスデバイス、スピンベースの情報処理、量子コンピューティングなどへの応用が期待されている。
注2. 永久スピン旋回（PSH）状態：特定のスピン軌道相互作用下で、半導体中でスピンのらせん構造（電子スピン波）が長時間維持される状態。
注3. 空間光変調器（SLM）：液晶を利用して、画素ごとに光の位相・振幅・偏光を空間的に制御できるデバイス。
注4. 構造化光：空間的に偏光・位相・振幅が制御された特殊な光。
注5. 量子井戸：電子の動きを２次元の平面に閉じ込めた構造。１次元の線に閉じ込めた構造を量子細線、０次元の点に閉じ込めた状態を量子ドットと言う。

論文情報

タイトル：Direct imprinting of arbitrary spin helices using programmable structured light in a semiconductor two-dimensional electron gas
著者：Keito Kikuchi, Jun Ishihara*, Miari Hiyama, Sota Yamamoto, Yuzo Ohno, Takachika Mori, Kensuke Miyajima, and Makoto Kohda†
*責任著者：東北大学大学院工学研究科　助教　石原 淳
†責任著者：東北大学大学院工学研究科　教授　好田 誠
掲載誌：Physical Review Applied
DOI：10.1103/PhysRevApplied.23.044017

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学大学院工学研究科
助教　石原 淳
TEL: 022-795-7317　Email: j.ishihara*tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）
東北大学大学院工学研究科
教授　好田 誠
TEL: 022-795-7316　Email: makoto*material.tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）
（報道に関すること）
東北大学大学院工学研究科 情報広報室
沼澤 みどり
TEL: 022-795-5898　Email: eng-pr*grp.tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）


東北大学は持続可能な開発目標（SDGs）を支援しています