スピンメカトロニクス

スピンメカトロニクス（Spinmechatronics / ˌ s p ɪ n əm ɛ k ə ˈ t r ɒ n ɪ k s /）は、スピン依存現象と確立されたスピントロニクスの方法論・技術を、電気機械、磁気機械、音響機械、光機械システムと組み合わせて活用する新興研究分野を指す新語です。特に、スピンメカトロニクス（またはスピンメカトロニクス）は、マイクロメカトロニクスシステムおよびナノメカトロニクスシステムとスピン物理学およびスピントロニクスの統合に取り組んでいます。

歴史と起源

スピンメカトロニクスが独立した分野として認識されたのはごく最近[1] （2008年）ですが、ハイブリッドスピンメカニクスシステムの開発は1990年代初頭にまで遡り、[2]スピントロニクスとマイクロメカニクスを組み合わせたデバイスは21世紀初頭に登場しました。

最も古くから確立されているスピンメカトロニクスシステムの一つに、磁気共鳴力顕微鏡（MRFM）があります。1991年にJA Sidlesが独創的な論文[2]で初めて提案し、その後、多くの国際的な研究グループによって理論的にも実験的にも広範囲に開発が進められてきました[3] [4]。MRFMは、磁気負荷されたマイクロメカニカルカンチレバーを励起された核、陽子、または電子 スピン系に結合することで動作します。MRFMのコンセプトは、走査型原子間力顕微鏡（AFM）と磁気共鳴 分光法を効果的に組み合わせることで、比類のない感度を持つ分光ツールを提供します。ナノメートルレベルの分解能が可能であり、この技術は、超高感度、超高解像度の磁気、生化学、生物医学、および臨床診断の基盤となる可能性があります。

マイクロメカニクスと既存のスピントロニクス技術をセンシング用途に応用することで得られる相乗効果は、過去10年間におけるスピンメカトロニクス分野における最も重要な発展の一つです。今世紀初頭には、磁気抵抗技術を組み込んだひずみセンサーが登場し[5]、同様の原理を利用した幅広いデバイスが2015年までに研究および商業化の可能性を実現すると予想されます。

スピンメカトロニクスの現代のイノベーションは、スピン物理学、スピントロニクス、マイクロメカトロニクスおよびナノメカトロニクスにおける最先端科学の独立した進歩を推進し、それらの統合を促進し活用するためのまったく新しい計測、制御、および製造技術の開発を促進します。

主要な構成技術

マイクロ・ナノメカトロニクス

MEMS :マイクロ電気機械システムは、マイクロメカトロニクスの重要な要素です。マイクロ電気機械システムは、その名前が示すように、マイクロメートル単位かそれ以下の重要な寸法を持つデバイスです。[6] [7]電子回路やマイクロ波回路との統合に非常に適しており、従来の精密メカトロニクスでは実現できない電気機械機能の鍵となります。大量生産されたマイクロ電気機械システム製品の商品化は急速に進んでおり、プリンターのインクジェット技術、3D加速度計、統合圧力センサー、デジタル光処理(DLP) ディスプレイなどがあります。マイクロ電気機械システムの製造および統合技術の最先端にあるのが、ナノ 電気機械システム[8] ( NEMS ) です。典型的な例は、長さがマイクロメートル、厚さが数十ナノメートルで、機械共振周波数が100 MHzに近いものです。物理的寸法と質量が小さい (ピコグラム単位) ため、剛性の変化に非常に敏感です。これに加え、機械システムやデータ処理システムとの相乗効果、化学分子や生物分子を付着させるオプションも備えているため、超高性能の機械、化学、生物センシングアプリケーションに最適です。

スピン物理学

スピン物理学は、凝縮系物理学の研究において広範かつ活発な分野です。ここでの「スピン」とは、特定の素粒子や原子核の量子力学的特性を指し、古典的な（そしてよりよく知られている）回転の概念と混同してはいけません。スピン物理学は、原子核、電子、陽子の磁気共鳴、磁性、そして特定の光学分野の研究にまで及びます。スピントロニクスはスピン物理学の一分野です。スピン物理学の最もよく知られた応用分野は、おそらく磁気共鳴画像法（ MRI）とスピントロニクス巨大磁気抵抗（GMR）ハードディスク読み取りヘッドの2つでしょう。

スピントロニクス

スピントロニクス磁気抵抗は、科学的にも商業的にも大きな成功物語です。今日では、ほとんどの家庭がスピントロニクスデバイス、つまりコンピューターの巨大磁気抵抗 ( GMR )ハードディスク読み取りヘッドを所有しています。この驚異的なビジネスチャンスを生み出し、2007年のノーベル物理学賞の受賞につながった科学は、電気キャリアが電荷とスピンの両方によって特徴付けられるという認識でした。[9] [10] [11]今日、トンネル磁気抵抗( TMR ) は、電子スピンをラベルとして使用し、電子の トンネル効果を許可または禁止します[12]がハードディスク市場を支配しており、磁気論理デバイスやバイオセンサーなどさまざまな分野で急速に定着しています。[13]進行中の開発により、 TMR デバイスの最先端はナノスケールへと押し進められています。

参照

参考文献

  1. ^ “Spinmechatronics Intro”. 2011年7月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。2022年7月22日閲覧。
  2. ^ ab Sidles, JA (1991-06-17). 「単一陽子磁気共鳴の非誘導検出」. Applied Physics Letters . 58 (24). AIP Publishing: 2854– 2856. Bibcode :1991ApPhL..58.2854S. doi :10.1063/1.104757. ISSN  0003-6951.
  3. ^ Rugar, D.; Budakian, R.; Mamin, HJ; Chui, BW (2004). 「磁気共鳴力顕微鏡による単一スピン検出」. Nature . 430 (6997). Springer Science and Business Media LLC: 329– 332. Bibcode :2004Natur.430..329R. doi :10.1038/nature02658. ISSN  0028-0836. PMID  15254532. S2CID  4346337.
  4. ^ de Loubens, G.; Naletov, VV; Klein, O.; Youssef, J. Ben; Boust, F.; Vukadinovic, N. (2007-03-19). 「個々のサブミクロンCu/NiFe/Cu垂直磁化ディスクにおける基本スピン波モードの磁気共鳴研究」. Physical Review Letters . 98 (12) 127601. American Physical Society (APS). arXiv : cond-mat/0606245 . Bibcode :2007PhRvL..98l7601D. doi :10.1103/physrevlett.98.127601. ISSN  0031-9007. PMID  17501155。S2CID 27535109  。
  5. ^ Löhndorf, M.; Duenas, T.; Tewes, M.; Quandt, E.; Rührig, M.; Wecker, J. (2002-07-08). 「磁気トンネル接合に基づく高感度ひずみセンサー」. Applied Physics Letters . 81 (2). AIP Publishing: 313– 315. Bibcode :2002ApPhL..81..313L. doi :10.1063/1.1483123. ISSN  0003-6951.
  6. ^ 「MEMS技術とは？」www.memsnet.org . 2002年2月20日時点のオリジナルよりアーカイブ。2022年1月14日閲覧。
  7. ^ “Home”. jwnc.gla.ac.uk . 2011年7月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2022年8月8日閲覧。
  8. ^ “ナノエレクトロメカニカルシステムの未来 - Physics World - physicsworld.com”. physicsworld.com . 2007年10月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2022年1月14日閲覧。
  9. ^ Baibich, MN; Broto, JM; Fert, A.; Van Dau, F. Nguyen; Petroff, F.; et al. (1988-11-21). 「(001)Fe/(001)Cr磁性超格子の巨大磁気抵抗」. Physical Review Letters . 61 (21). American Physical Society (APS): 2472– 2475. Bibcode :1988PhRvL..61.2472B. doi : 10.1103/physrevlett.61.2472 . hdl : 10183/99075 . ISSN  0031-9007. PMID  10039127.
  10. ^ 「2007年ノーベル物理学賞」.
  11. ^ 「アーカイブコピー」（PDF） . nobelprize.org . 2007年11月5日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。2022年1月14日閲覧。{{cite web}}: CS1 maint: アーカイブされたコピーをタイトルとして (リンク)
  12. ^ Moodera, JS; Kinder, Lisa R.; Wong, Terrilyn M.; Meservey, R. (1995-04-17). 「強磁性薄膜トンネル接合における室温での大きな磁気抵抗」. Physical Review Letters . 74 (16). American Physical Society (APS): 3273– 3276. Bibcode :1995PhRvL..74.3273M. doi :10.1103/physrevlett.74.3273. ISSN  0031-9007. PMID  10058155.
  13. ^ Schotter, J.; Kamp, PB; Becker, A.; Puhler, A.; Brinkmann, D.; et al. (2002). 「磁気抵抗センサーに基づくバイオチップ」. IEEE Transactions on Magnetics . 38 (5). Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE): 3365– 3367. Bibcode :2002ITM....38.3365S. doi :10.1109/tmag.2002.802290. ISSN  0018-9464.
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