チタン薄膜の長距離信号、界面変換とスピン電流で説明　軌道輸送の解釈に新結果

チタン薄膜を用いた実験で、膜厚を2～60ナノメートルに変えても、検出される電荷電流がほぼ変わらないことが分かった。研究チームは、両界面で軌道角運動量とスピンが変換され、チタン内部ではスピン電流が信号を運ぶ機構を提案している。成果は2026年10月14日、学術誌「Physical Review Letters」に掲載された。

■チタンが注目された理由

オービトロニクスは、電子の軌道角運動量を情報処理に生かそうとする研究分野だ。電子固有の角運動量であるスピンを利用するスピントロニクスとともに、磁気メモリの書き込みを効率化する手法として研究されている。

チタンは、電流に対して横方向に軌道角運動量の流れを生む「軌道ホール効果」が大きいと理論的に予測されてきた。スピンホール効果による寄与は小さいと見込まれ、軌道に由来する信号を調べる材料として注目された。バナジウムやジルコニウムも、軌道ホール効果の候補材料に挙げられている。

先行研究では、チタン中の軌道角運動量が広がる距離を表す軌道拡散長として、約4～61ナノメートルという幅広い値が報告されていた。一方、軌道角運動量は界面付近で速く緩和するという理論や実験結果もあり、信号がどのように伝わるかが論点となっていた。

今回の論文には、ペルー国立サンマルコス大学とフランスのジャン・ラムール研究所に所属する筆頭著者メリッサ・ヤクタヨ、2007年ノーベル物理学賞受賞者アルベール・フェールら12人が名を連ねる。フェールはペーター・グリュンベルクと独立に巨大磁気抵抗効果を発見した。この成果は、ハードディスクの高感度な読み出し技術につながった。

■膜厚と界面を変えて信号を調べる

研究チームは、ニッケル、チタン、金などを重ねた薄膜を作製し、チタン層の厚さを2～60ナノメートルに変えた。ニッケル層で生じた角運動量に由来する信号を、積層膜から取り出される電荷電流として測定した。一部の試料では、ニッケルとチタンの間に白金層も挿入した。

角運動量を生じさせる方法には、磁化を振動させる強磁性共鳴と、温度勾配を利用する方法を用いた。どちらの測定でも、電荷電流はチタン層の厚さにほぼ依存しなかった。研究チームは、この試料でチタン内部を伝わる軌道電流や、チタン内部での軌道ホール効果が検出信号を支配するという解釈と、測定結果は合わないと結論づけた。

論文では、信号が薄い領域ですでに一定になることから、この試料での軌道拡散長を約1ナノメートル以下と見積もった。さらに、チタン上面に接する金属を金、白金、タングステン、アルミニウムに替えると、信号の大きさが変わった。金との界面で最も大きな信号が得られ、界面の性質が重要であることが示された。

ニッケルとチタンの間に厚さ2ナノメートルの白金を加えた実験では、論文によると、測定された電荷電流は約70ピコアンペアから約300ピコアンペアへ増えた。研究チームは白金層自身による信号も考慮したうえで、界面での変換が信号に寄与すると解釈している。

■軌道からスピンへ、再び軌道へ

研究チームが提案する機構では、ニッケル側の界面で生じた軌道角運動量の蓄積が、局所的な変換を経てスピン電流に寄与する。そのスピン電流がチタン層を横断し、反対側の界面で再び軌道角運動量の蓄積に関わる。最終的に界面で電荷電流へ変換される、という流れだ。

この説明では、離れた界面まで届く信号に軌道由来の成分が含まれながら、チタンの膜厚を増しても測定値がほぼ変わらない理由を捉えられる。研究チームの第一原理計算でも、界面の組み合わせによって軌道分極の生じ方が変わる結果が得られた。膜厚と接触金属の両方を変えた実験が、提案された機構を支えている。

他の材料でも、軌道角運動量が伝わる距離を巡って異なる結果が報告されている。2025年12月に公開されたアルミニウムの研究のプレプリントは、軌道分極の速い緩和を報告した。また、2026年4月号の「Nature Nanotechnology」に掲載されたテラヘルツ分光の研究は、タングステン中の軌道拡散長を約0.36ナノメートルと見積もった。

測定する材料や積層構造が異なれば、信号に寄与する界面も変わる。今回のチタンの実験は、長距離にわたる信号を解釈する際に、薄膜内部の輸送と両端の界面変換を合わせて調べる重要性を示している。

■磁気メモリの設計と今後の研究

スピン軌道トルクを利用する磁気メモリ「SOT-MRAM」では、隣接する層に電流を流して磁性層の向きを切り替え、情報を書き込む。軌道角運動量を使う材料の研究も、書き込みに必要な電流を減らす取り組みの一つだ。今回の結果は、チタンを使った積層膜で、材料内部だけでなく接する層の選択も評価する必要性を示す。

実際に材料の組み合わせを変えた成果もある。グプタらは2025年の「Nature Communications」で、ルテニウムと白金を組み合わせた試料について、白金のみの比較試料よりトルク効率が約30％高く、書き込み電流が約20％低かったと報告した。250個を超える素子の測定に基づき、書き込み電力は60％超低下したという。

また、ビアジらの2026年の研究は、SOT-MRAMの電荷からスピンへの変換効率について、現状の到達値を約45％、先端トランジスタとの組み合わせに向けた目安を約80％と記している。タンタルとタングステンを使った磁気トンネル接合素子も調べ、軌道角運動量を利用する層と、その変換に関わる層の組み合わせを検討した。

ヤクタヨらの研究は、2026年4月に米ホノルルで開かれた材料学会の春季大会でも発表された。今後は、バナジウムやジルコニウム、クロムなどの材料や異なる界面でも、膜厚による信号の変化を調べることが課題となる。界面での変換を定量化できれば、軌道角運動量を利用する素子の材料選びに役立つ。

元記事: Spin, Not Orbital Current, Powers Titanium Signal; Nobel Laureate Study Reshapes Orbitronics