① 電荷ースピンの関わる材料とデバイスの研究

代表的なデバイスが磁気トンネル接合です。当研究室ではその特性（トンネル磁気抵抗効果）を飛躍的に高めるための素子の材料の研究を行っています。磁気トンネル接合とは、磁石の性質を有する導体薄膜で絶縁体薄膜を挟み込んだ積層型の素子です。各層は数ナノメートル程度の厚みです。絶縁体の上下の導体に電圧を加えると量子力学的トンネル効果により電流が流れます。上下の二つの磁石の磁化（磁極の向き）が平行な場合と反平行な場合で素子の電気抵抗が変化するトンネル磁気抵抗効果（TMR効果）を発現するため、TMR素子とも呼ばれます。この素子は、磁気センサーやハードディスクの磁気ヘッドに用いられてきました。最近では、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（MRAM）の開発が世界各国のメモリ企業で進んでいます。また、これを用いた様々な人工知能ハードウエアの基礎研究も世界的に進められています。トンネル磁気抵抗効果はこれら様々な応用製品の性能を左右する最も基本的な特性です。

当研究室では、水上PIの主導で新しくてオリジナルな磁性体電極材料や素子絶縁バリア材料を追求し、また他のグループと共同で計算科学や情報科学、機械学習も取り入れたユニークな研究開発を進めています。本研究は、CREST(JST)ならびに、科学研究費補助金基盤研究(S)(JSPS)の支援を受けております。

JST 戦略的創造研究推進事業 CRESTの研究課題　研究概要と成果（水上）

JSPS 科学研究費補助金 基盤研究(S)の研究課題　研究概要と成果（水上）

 

 

② 光－スピンの関わる材料とデバイスの研究

レーザー光によってナノ磁性体中の磁気（スピン）の状態や運動を制御する研究を行っています。またその高効率化のための基礎物理や材料の研究を行っています。磁性体には磁気（スピン）の織りなす様々な波動が存在することが古くから知られています。スピンの波動やスピンの状態を情報の記憶、処理、伝達のキャリアとして用いた低電力・高速ノイマン型計算機や非ノイマン型計算機の研究が世界的に進められています。スピンの運動に要するエネルギ―は非常に小さいため、高エネルギー効率の新しい計算機ができる可能性があるためです。

当研究室では、水上PIの主導でレーザー光を用いたオリジナルのスピン測定技術を構築し、ポンププローブ顕微鏡やテラヘルツ波放射なども用いたオンリーワンの研究を進めています。また、光―スピンを用いたメモリやインターフェースならびにその材料の研究を行っています。また、飯浜助教の主導で、光ースピン波動を用いた計算機の研究を進めています。

③量子ースピンの関わる材料とデバイスの研究

様々な量子技術の研究開発が世界的に進んでいます。ダイアモンド中のスピン欠陥を用いた量子技術の研究開発もその一つです。東北大学先端スピントロニクス研究開発センターCSRN部門の森下PIはダイアモンド中のスピン欠陥の電気的制御技術の開発を進めております（研究室ウエブサイト）。

当研究室では、水上PIが森下PIと連携することで、独自の量子ースピン材料やデバイスの研究開発を進めております。