インド科学技術省は、「歪みに反応してスピン流を発生させる次世代のセルフパワー材料への応用が期待される2種類の魅力的な2次元単層膜を計算機上で予測した」と発表した。3月21日付。

電子には、電荷の他にもう一つの自由度、すなわちスピンが備わっている。電子のスピンの自由度（スピンアップ・スピンダウン）は固有の性質であり、電荷の運動に比べ、磁場の存在下で比較的容易に操作することができる。最近の実験では、新材料にスピンの自由度を利用することで、大量のデータを高速かつ長時間保存できることが実証されており、次世代の高速量子情報デバイスへの道を開くと予想されている。スピントロニクスは、電子のスピンを利用して情報を収集・保存するもので、次世代のデータストレージ・デバイスの開発につながるもの。磁気センサーの応用や理論予測は、これらの性質を利用した新材料の設計において、実験研究者や技術者に貴重な指針を与えることができる。

今回、科学技術庁（DST）傘下の自治機関である「ナノ科学技術研究所、モハリ」（Nano Science and Technology, Mohali）の Abir De Sarkar 教授と、彼の博士課程の研究者の Manish Kumar Mohanta と Fathima I. S.の両氏は、安定した六角形の座屈 ZnX（X：S、Se または Te）単原子層を新たに提案し、"ACS Applied Materials & Interfaces"で発表した。

これらのうち、ZnTeとその電子パートナーである CdTeは、強いスピン軌道相互作用を示すことが分かっており、CdTeおよびZnTe単層膜の圧電特性を利用すると、歪みを加えることで大きな圧電電圧を発生させることができ、外部電圧源に置き換えることができる可能性がある。

圧電性、低い機械的剛性と運動量依存のスピンバンド分裂の同時結合は、従来、一次元ZnOナノワイヤーで提案されていた次世代の自己発電型フレキシブル・ピエゾ・スピントロニクスデバイスの開発につながるもので、この概念は、今回の研究チームによって2次元半導体へと理論的に拡張された。

同研究チームは、以前合成した異なるパターンのバルク構造から、六角形の座屈した2次元半導体であるZnTeとCdTeの単層膜を設計した。これらの半導体は、強いスピン軌道相互作用（SOC）を示すだけでなく、非常に柔軟であることが分かっている。これらの単層膜で得られた絶妙な結果は、次世代の自己発電型フレキシブル圧電スピントロニクスデバイスへの応用の大きな可能性を示している。

このように、2原子層厚膜半導体において、スピン軌道相互作用、圧電性、柔軟性を同時に実現したことは、2次元半導体では初めてだ。そのバンドギャップの広さは、外部からの摂動によって電子物性を変調させる余地が十分にあると考えられる。

次世代スピントロニクスデバイスには、低消費電力とスピンの配向の精密制御が要求される。セルフパワー型のデバイスは、さらなる価値をもたらすと期待される。この点において、半導体の特性は、新技術の開発や既存技術の発展において決定的な役割を担っており、強いSOCと高い圧電係数を持つ新しい2次元半導体は、セルフパワー型の次世代スピントロニクスデバイスのための新しい道を開くことができると考えられている。

インド科学産業研究評議会（Council of Scientific and Industrial Research: CSIR）およびDSTの INSPIREプログラムの助成による研究で予測された ZnTeおよび CdTe単分子膜は、柔軟性、圧電性、調整可能なスピンバンドの巨大運動量依存分割（Rashba特性）など、これらすべての新しい特性を兼ね備えている。

サイエンスポータルアジアパシフィック編集部