通常の電流は、電子が集団で一方向に移動することで電気信号を伝えますが、「スピン流」では、電子はほとんど動かずに、磁石の向き(スピン)の情報だけが電子から電子へと伝達されていきます。

身近な例で例えてると、電子が人間でスピンが人間の「お気持ち(ポジティブとネガディブ)」のようなものだとすれば、人間はそのままに「お気持ち」だけが人づてに伝達されていく状態と言えるでしょう。

結果として電流が流れることはありませんが、それでも情報だけが遠くまで届くのです。

これが、「純粋なスピン電流(スピン流)」と呼ばれるものです。

スピン流の大きな魅力は、熱として失われるエネルギーが極めて少ないことにあります。

電子そのものが動かないので、移動時の抵抗がほぼゼロとなり、発熱やエネルギーのロスを劇的に抑えることができるからです。

もしこれを実用化できれば、スマートフォンやパソコンは今よりずっと省エネで長持ちし、さらにスピンを使った超高速で省電力なメモリやプロセッサなど、未来的なデバイスの実現にもつながります。

また、スピン流は電子の持つ量子的な性質を利用するため、量子コンピュータの性能を飛躍的に高める新技術としても注目されているのです。

そのスピントロニクスの最有力候補として研究が進められてきたのが、グラフェンという炭素原子1個分の厚さしかない素材でした。

グラフェンは薄くて軽く、しかも電子の動きが速いため、スピンの情報を遠くまで運べる理想的な材料とされてきました。

ところが大きな問題がありました。

これまでグラフェンでスピン流を制御するには、大型の磁石を使って強い磁場を加えなければならなかったのです。

これではスマホや小型の電子チップに組み込むのはほとんど不可能でした。

そこで研究者たちは、磁石や磁場を外部から加えることなく、小さなチップの上でスピン流を安定して作り出す方法を探しました。

果たしてスピン流で情報伝達を行うチップのような夢の技術は実現できるのでしょうか?

電子が止まってスピンだけが動く――グラフェンが起こした量子革命

電子が止まってスピンだけが動く――グラフェンが起こした量子革命
電子が止まってスピンだけが動く――グラフェンが起こした量子革命 / Credit:Canva