Miwa Group, The Institute for Solid State Physics (ISSP), The University of Tokyo

Topics

家電製品やパソコン、自動車など、私たちの身の回りにある多くの製品では、磁石や磁性材料が重要な役割を果たしています。実は、私たちの生活はさまざまな磁性体によって支えられています。
三輪研究室では、磁性のもととなる電子の「スピン」に注目しています。スピンは電子がもつ角運動量の一種で、特にナノメートルという非常に小さな世界では、その性質が大きく現れます。私たちは、このスピンを利用して新しい電子機能を実現する「量子スピントロニクス」の研究を行っています。
研究では、原子一層ずつ物質を積み重ねるような高度な薄膜成長技術を使い、ナノメートルサイズの特徴的な構造をもつデバイスを作製します。そして、その中で電子やスピンがどのように振る舞うのかを調べることで、新しい物理現象や機能の発見を目指しています。
周期表を見ると、Fe（鉄）やCo（コバルト）のように強い磁性を示す元素は限られています。しかし、Fe、Co、Ni、Mnなどの磁性元素と、V、Cu、Sn、Au、Pt、Irなどの非磁性元素、さらにフタロシアニンや生体分子などの有機分子を組み合わせることで、物質の性質を大きく変えることができます。
私たちの研究室では、このような異なる材料を原子・分子レベルで自在に組み合わせ、もとの材料にはなかった新しい性質や機能を生み出すことに挑戦しています。ナノの世界で起こる量子現象を理解し、それを将来の新しいエレクトロニクスへつなげることが、私たちの研究の目標です。

1. キラル分子スピントロニクス
　実空間に特徴的な構造をもつキラル分子や、タンパク質に代表される生体分子を利用した、新しいスピントロニクス研究を展開します。私たちは、スピン角運動量の流れである「スピン流」が、本質的にキラルな性質をもつことに着目しています。この特徴を生かし、電子のスピンによって化学反応や生体反応を制御する、新しい生体分子スピントロニクスデバイスの実現を目指します。さらに、スピントロニクスと分子生物学を融合することで、スピンを通して生命現象を理解・制御する「スピントロニクス分子生物学」という新たな学問分野の創成に挑戦します。
2. 量子物質スピントロニクス
　ワイル磁性体であるカイラル反強磁性金属 Mn₃Sn をはじめ、トポロジカル磁性体など、運動量空間に特徴的な電子状態をもつ量子物質を研究対象とします。これらの量子物質では、従来の磁性材料には見られない特異な電子状態やスピンの性質が現れます。私たちは、こうした量子物質ならではの性質を利用することで、Fe/MgO などの従来材料を基盤としたスピントロニクスを超える、新しいデバイス物性や機能の実現を目指します。
3. オペランド分光によるオービトロニクス
　フェムト秒パルスレーザーやX線磁気円二色性分光などの最先端の分光・顕微イメージング技術を用いて、量子スピントロニクスデバイスの中で電子やスピンがどのように振る舞うのかを明らかにします。特に、電子の「スピン」だけでなく「軌道」の自由度にも注目し、これらを利用した新しいスピントロニクスの物理機構やデバイス機能の解明を目指します。
4. スピンによる脳型コンピューティング
　スピンダイナミクスが示す非線形な応答に着目し、その複雑な振る舞いを情報処理に活用することで、従来とは異なる原理に基づく新しいコンピューティング技術の開拓を目指します。

個々の研究テーマによって具体的な内容は異なりますが、研究室全体としては、新しい材料が示す新しい物性を発見し、その性質を電子デバイスとして機能化することで、将来の応用へとつなげることを大きな研究目的としています。

和文解説（スピントロニクス入門）：
「量子スピントロニクス現象を示す新物質について」電気学会誌 139, 601 (2019)
「磁気抵抗効果を使ったスピントロニクス現象」電気評論 105, 21 (2020)


We focus our studies on condensed matter and materials physics, particularly in the realm of nanomaterials, where the properties of spin can be transformative. Our work involves creating atomically controlled quantum materials composed of metals, insulators, and organic molecules. The aim of our research is to harness quantum physics to develop new nanostructures with advantageous physical physical properties and to understand their microscopic origins. Although the periodic table contains only a few magnetic materials, such as Fe and Co, the potential expands significantly when we explore multilayers These multilayers combine magnetie elements (such as Fe, Co, Ni, and Mn) with non-magnetic elements (including V, Cu, Sn, Au, Pt, Ir) , as well as organic and biomolecular materials. The deversity of these combinations offers nearly infinite possilibities in material design and application.　

Our research delves into the fascinating field of quantum spintronics, focusing on three primary areas:
1. Chiral Molecular Spintronics: Here, we explore spintronic devices that incorporate chiral molecules, including chiral phthalocyanines/perovskites and biomolecules such as proteins. By leveraging the unique property of spin currents, we aim to develop innovative spintronic functionalities.
2. Quantum Materials Spintronics: Our studies extend to spintronic devices utilizing topological magnetic materials, such as the chiral antiferromagnet Mn₃Sn. We harness the distinctive electronic structures of quantum materials to create novel spintronic devices.
3. Operando Spectroscopy for Orbitronics: This aspect of our research focuses on the device physics of quantum spintronics. We employ advanced techniques like femtosecond pulse laser, X-ray magnetic circular dichroism spectroscopy/imaging, and microwave spectroscopy to gain deeper insights.

We conduct these studies on quantum spintronic devices using cutting-edge fabrication and measurement technologies.

Background

Concept

Key Achievements

• Spintronics device with a chiral organic molecule
  ・S. Miwa et al., Sci. Adv. 11, eadv5220 (2025).
  ・K. Kondou et al., J. Am. Chem. Soc. 144, 7302 (2022).
  ・S. Miwa et al., Appl. Phys. Express 13, 113001 (2020). Spotlights 2020
  
  キラル分子を用いたスピントロニクスデバイス:
  有機分子は無機金属と比べてとても設計自由度の高い魅力的な材料です。本テーマでは強磁性金属と有機分子との界面で生じる特徴的な電子状態を見出して機能化します。特にキラル分子を用いた新たなスピントロニクス現象を開拓します。
• Spintronics device with a topological antiferromagnet
  ・S. Sakamoto et al., Nat. Nanotechnol. 20, 216 (2025).
  ・X. Chen et al., Nature 613, 490 (2023).
  ・T. Higo et al., Nature 607, 404 (2022).
  ・H. Tsai et al., Nature 580, 608 (2020).
  
  トポロジカル磁性体を用いたスピントロニクスデバイス:
  運動量空間に非自明な電子状態を持つトポロジカル磁性体を用いると、従来の強磁性金属とは異なる性質が得られます。具体的には反強磁性体であるにも関わらず強磁性体のような応答を示したり、強磁性体の応答が増強されます。これまでにトポロジカル反強磁性金属が強磁性体よりも100倍速い応答速度を示すことやスピン流による状態制御、磁気抵抗効果を実証しました。
• Operando spectroscopy for magnetoelectric effect
  ・S. Miwa et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 52, 063001 (2019).
  ・S. Miwa et al., Nat. Commun. 8, 15848 (2017).
  ・T. Kawabe et al., Phys. Rev. B 96, 220412(R) (2017).
  
  オペランド分光による界面磁性や電気磁気効果の機構解明:
  強磁性金属界面ではスピン軌道相互作用に起因する軌道磁気モーメントや磁気双極子T_z項といった物理量が顕著に現れます。これらは磁気異方性と密接に関係し、スピントロニクスデバイスを駆動するために必要な磁性の電気的制御を理解するのに重要です。放射光X線を使ってデバイスを動作させながら分光を行う「オペランド分光」により電気磁気効果の起源を解明しました。
  ・[和文解説] SPring-8/SACLA利用者情報 23, 8(2018).
  ・[和文解説] 元素戦略プロジェクト/大型研究施設 連携シンポジウム 研究ダイジェスト
• Interface-engineering for giant spin-torque
  ・S. Miwa et al., Phys. Rev. X 7, 031018 (2017).
  ・S. Miwa et al., Nat. Mater. 13, 50 (2014).
  
  磁性多層膜デバイスの界面ナノ制御による巨大スピントルク:
  界面磁気異方性の制御制御によりスピン流の非線形効果が増強されて巨大なダイオード効果を示すことや、FeとMgOのエピタキシャル接合において非自明な電気磁気効果が生じることを示しました。
• Brain-inspired computing with spintronics
  ・T. Furuta et al., Phys. Rev. Applied 10, 034063 (2018).
  
  スピントロニクスを利用した脳型コンピューティング:
  スピンの歳差運動は非線形かつ履歴を持つため演算能力を有します。スピントロニクスデバイスを用いて、脳型演算と呼ばれるリカレントニューラルネットーワークの一種である「レザバコンピューティング」を行えることを示しました。

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