研究開発テーマ & 研究課題

　電子は電荷とスピン（磁化）の二つの自由度を有していますが、従来これらの自由度は別々に産業に利用されてきました。二つの自由度を結びつける手段としては、効率の低い電磁コイルしかなかったからです。しかし80年代後半の巨大磁気抵抗（GMR)効果の発見はこの事情を大きく変えました。電荷とスピンの間で直接働く量子力学的相互作用を利用することで、二つの自由度を効率よく結合することが可能となりました。このパラダイムシフトが生み出したGMR素子は磁化の情報を直接電気情報に変換する高効率な情報読み取りヘッドとして、ハードディスクの容量の飛躍的向上をもたらしました。スピントロニクスと呼ばれるこの技術分野からは、その後も、トンネル磁気抵抗（TMR)素子や不揮発性メモリである磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM）が市場に出て行き、現在、ストレージ・メモリ産業を大きく変えつつあります。これらのスピントロニクス素子の成功は、いずれも、固体中におけるスピン偏極、スピン注入、スピントルクなどのスピン流と呼ばれる特異な物理現象を利用することにより実現されたものです。スピン流の学理は最近さらに急速な発展を見せつつあり、スピンポンピング、スピン蓄積、スピンホール効果、逆スピンホール効果、スピンゼーベック効果などの新しい概念が続々と出現してきています。そのため、スピン流からはさらに新しい応用デバイスが生み出されるものと大きな期待がかけられています。

　わが国はスピントロニクス・スピン流の基礎研究とその実用化の両面において、世界的にずば抜けた実績を誇っています。このような背景をもとに、本研究開発は、スピン流の新たな革新的応用可能性を探ることを目的として実施されるものです。

　本研究開発はスピン流という新しく発展しつつある学理に基づくものですが、基礎研究ではなく、具体的な応用デバイスの開発を目指すものです。10年間の研究開発が終了した時点で、企業が本格的な実用化開発の活動を始めることのできるような、応用デバイスの観点からの実体ある成果を出すことが求められます。

　以下は、先日行われたワークショップで議論された研究開発課題例と、それらに対するPOのコメントです。ただし、これらの課題の採択を優先するものではありません。下記の枠に含まれない課題であっても、本公募の趣旨に適合した優れた提案であれば採択の対象とします。

①スピントルク高周波素子

　スピン流がもたらすスピントルクを用いたマイクロ波領域の高周波素子です。現時点における、この技術の発展レベルを考慮して、単純な発振器や検波器の開発は本研究開発の対象外とします。スピントルク高周波素子自体の高性能化に加えて、そのナノスケールの微小サイズ性や、電流や外部磁場により発振周波数を変化させることができるなどの特徴を活かした革新的な応用システムの開拓を期待します。ワークショップでは、三次元磁気ストレージシステムや超高感度磁気センサへの応用などが話題になりました。システムデモンストレーションを含む提案を期待します。

②スピン熱デバイス

　スピン流と熱の相互作用を用いるデバイスです。ワークショップではゼーベック素子やペルチェ素子としての可能性が話題になりました。従来のスピントロニクス素子とは異なり、スピン以外の現象を用いても実現されるデバイス機能を目指すものですので、発電効率やコストなどの面で既存技術に対する明確な実用的優位性を実証する提案を期待します。

③スピントランジスタ

　スピンを用いた論理素子用デバイスです。論理素子への不揮発性機能の付与という点では、スピン固有の強みを活かした応用デバイスですが、スピン自由度を用いてCMOS論理回路を越える高エネルギー効率情報処理素子を開発するという期待もあります。最終目的とする機能を明確にした上で、その実現までの具体的マイルストーンを明示した提案を期待します。

④スピン光デバイス

　スピン依存の物性を用いる光デバイスです。非相反性を用いて実現される半導体集積回路用光アイソレータや、不揮発性機能の光素子への付与などがワークショップでは話題になりました。最終目的とする機能を明確にした上で、その実現までの具体的マイルストーンを明示した提案を期待します。

　採択に当たっては、デバイスが実現された場合のインパクト性と、それを実現するための具体的マイルストーンの提示、そしてそれを実施しうることを担保するこれまでの研究実績を重視します。

　スピン流の学理がまだ若く、かつ急速に変化しているという事情を考慮して、ステージⅠでは、優れた提案が多くある場合には採択件数は４件に限りません。ただし、その場合、ステージⅠの研究開発費は採択課題数により予算の調整を実施し、さらに、ステージⅡ移行時に実施する中間評価の結果等を総合的に考慮し、課題数の絞込みを行います。

　課題の実施に当たっては、POおよびPOが指名する専門家による研究進捗モニターを頻繁に実施するとともに、必要に応じて採択課題間の協力を要請しますので、対応していただきます。