謎多き「スピントロニクス」の魅力にとりつかれて研究者へ。LSIイノベーターの育成にも取り組む

沼津高専を卒業し、2023年から東京工業大学 科学技術創成研究院の特任助教になられた白倉孝典先生。高専生の頃から続けている「スピントロニクス」の研究と同時に、現在は日本の半導体業界再興に向けたプロジェクトにも力を入れています。先生の生い立ちや研究内容について、教えていただきました。

「好き」の延長線上に、高専と研究があった

―現在の研究テーマ「スピントロニクス」について教えてください。

私たちの身のまわりにあるスマホやパソコンは、電子の流れを巧みに操ることで動作しています。このように、電子の動きを応用し、高い機能を実現する学問を「エレクトロニクス」と呼びます。

一方、電子はそれ自身が小さな磁石としても振舞います。したがって、電子が動くとマイナスの電荷だけでなく、小さな磁石も運ばれていきます。もし、電荷の情報だけでなく、小さな磁石の向きの情報も同時に扱うことができれば、今までよりも自由度が高い高性能なデバイスを生み出せるはずです。

この小さな磁石の源は「スピン」と呼ばれています。したがって、電荷とスピンの性質を融合し、新しい機能の実現を目指す学問を「スピンエレクトロニクス」、略して「スピントロニクス」と呼びます。

―「スピントロニクス」に出会ったきっかけは何だったのですか。

スピントロニクスは「物性物理学」という材料に関する研究分野に属しています。私の場合は、物性物理学に興味を持ったのが始まりでした。そのきっかけは、沼津高専の1、2年生の頃に体験したLEDの冷却実験です。LEDを光らせながら液体窒素で冷却すると次第に色が変わっていくというものです。それまでLEDの色が変わるなんて考えてもみなかった当時の私は、あっという間に魅了されました。この経験から材料研究の面白さを知り、物性物理学に漠然と興味を持ち始めました。

「スピントロニクス」の存在を知ったのは、卒業研究の配属先を選択する高専5年生の頃です。冷却実験の経験から、物性分野の中でも物理現象の解明など、基礎物理に近い研究をしたいと思っていました。その条件に最も合うのがスピントロニクスの研究をされている大澤友克先生の研究室でした。

多くの分野でも共通ですが、スピントロニクスの研究方法は大きく分けて2つあります。1つ目は、「実験」により物理現象を解明していくという方法です。2つ目は、紙とペンを用いて新しい「理論」を構築していく方法です。

大澤研究室は理論的なアプローチをとる研究室でした。理論研究をするうえで、自分のアイデアを検証する強力なツールはプログラミングです。当時、私はプログラミングにも興味があったので「自分が興味のあるものを使って研究ができる点」に強く惹かれ、みるみるスピントロニクスにのめりこんでいきました。そして、今に至ります。

―そもそも、先生が高専への進学を決めた理由は何でしたか。

父親が物理や数学が好きで、これらの分野の魅力を取り上げたテレビ番組が家でよく流れていました。幼い頃からそんな環境で育ったためか、私も物心がつく頃には物理や数学を面白いと感じるようになっていましたね。どんなに不思議な現象でも、1つ1つの要素に分解することで矛盾なくスッキリと説明できるところが非常に印象的で、興味を惹かれました。

高専の存在を知ったのは小学3年生の頃です。理科が専門だった担任の先生から「理数系が好きなら、高専がおすすめだよ」と教えていただきました。その後、小学5年生の頃に沼津高専で開催されていた小学生向けのイベントに参加し、「こんなところで学べたら楽しいだろう」と、より明確に進学をイメージしました。

実際に入学してみるとまさに期待通りで、好きな分野が学べる天国のような場所だと感じました。そこまで得意ではない文系の教科も、先生方がロジカルに説明してくださるので、楽しかった記憶しかありません。

次々に生まれる謎を解明する楽しさ

―高専ご卒業後は、東工大に編入学されています。やはり研究を極めたかったからですか。

高専は手厚く教育をしてもらえる場ではあるものの、より先端の勉強をするためには大学に行ったほうが良いと考えました。東工大を選んだのは、単科大学なこともあり、雰囲気がどことなく高専に似ていて良いなと思ったからです。

大学は設備が充実しているので、研究環境としては非常に恵まれています。特に、大掛かりなスピントロニクスの実験をしようと思うと、億円単位の費用がかかります。ありがたいことに、東工大にはこういった研究設備が整っていたため、大学ではスピントロニクスの実験をメインに研究を続けてきました。

実験系は理論研究と異なる難しさがあり、うまくいかないことの方が多かったように思います。一方、うまくいかなければいかないほど、成功した時の喜びは大きいんですよね。この経験が起爆剤となり、ますます研究に没頭していきました。

―現在は「スピントロニクス」の分野で、どのような研究をしているんですか。

スピン流を効率よく生成する手法の研究を行っています。スピントロニクスデバイスは、磁性体中の磁化の向きを制御することで動作しますが、その制御にはスピン流と呼ばれるスピンの向きが揃った電子の流れを用います。スピン流は電流から生成されるのですが、スピン流への生成効率が低いとデバイスの消費電力が大きくなってしまいます。現在は、低消費電力なデバイスを実現するため、高いスピン流生成効率を実現可能な「スピンホール効果」という物理現象に着目して研究をしています。

スピンホール効果とは、材料に電流を流すと、電流に対して垂直方向にスピン流が発生する現象です。スピンホール効果におけるスピン流生成効率は、スピンホール角というパラメータで決まります。これは材料に依存するため、スピンホール角が大きな材料を探さなければなりません。

そのため、博士課程ではスピンホール角が大きな材料の開発をメインに行っていました。代表的な仕事の中には「トポロジカル半金属」という材料を用いて、スピンホール効果の王道材料である重金属よりも1桁大きなスピンホール角を実現したものなどがあります。

一方、研究をしていく中で、スピンホール効果による磁化制御機構に関して未解明な部分が多々あるとわかりました。現在は初心に立ち返り、基礎的な機構の解明を目指して研究を続けています。この研究により、高性能かつ低消費電力なスピントロニクスデバイスの実現に貢献できると考えています。

―同じ研究テーマを続けられるモチベーションはどこにありますか。

私が研究を続けられる1番の原動力は間違いなく「自分の興味が尽きないから」です。もちろん、自分の興味が社会貢献につながるのであれば、これほどうれしいことはありませんし、技術の出口を意識するという意味で、両者のオーバーラップについて考えることは重要だと思います。しかし、今のところは、どんなに小さなことでも目の前で起こっている現象がとにかく面白いからやる。そんな感じです。

―現在は大学に勤められていますが、企業への就職は考えませんでしたか。

考えたこともありますし、企業での研究には大学とは違う良さがあると思っています。一方、研究テーマという観点でいうと、大学や高専の方が圧倒的に自由度が高いと感じます。私の場合、自分の好きなことや興味のあることをとことん続けてみたいと考えていたので、自由にテーマが設定できる場所に身を置きたいと思っていました。

そんなとき、修士課程の頃にお世話になっていた若林整先生に拾っていただきました。現在は若林先生の「集積Green-niX研究・人材育成拠点」というプロジェクトの人材育成ワーキンググループにて活動させていただきながら、研究を続けています。

“日の丸半導体”復活を目指す「集積Green-niX」

―「集積Green-niX研究・人材育成拠点」について教えてください。

「集積Green-niX研究・人材育成拠点」は、文部科学省の「次世代X-nics半導体創生拠点形成事業」によって2022年に設置された拠点の1つです。Green-niXでは、日本の半導体業界再興に向けて「LSIイノベーター」と呼ばれる「半導体業界を牽引する人材」の輩出を目指しています。

私たちの身の回りにあるスマホやパソコンは大規模集積回路（LSI）技術に支えられています。そのLSIを構成する半導体デバイスは、原子レベルで構造をつくり込まないと良い性能が出ません。これを実現するためには、電気科で学ぶような半導体工学の知識だけでなく、化学や機械工学、情報工学をはじめ、様々な分野の知識を結集する必要があります。また、アプリケーションによってデバイスに求められる性能が異なるため、技術の出口まで俯瞰することが重要です。そのためには、技術マネジメントの素養も求められてきます。

私たちが輩出を目指す「LSIイノベーター」は、これら技能を持ち合わせたスーパーヒーローのような存在です。LSIイノベーターを育成するためには、質の高い様々な分野の講義を提供することが不可欠です。そこで、Green-niXでは代表機関の東工大に加え、中核連携機関の豊橋技科大や広島大など、様々な領域で世界を牽引する国内外の大学・企業と連携することで人材育成を推進しています。

育成対象は中学生から社会人まで幅広く、なかでも高専生の存在は“日の丸半導体”復活のためには欠かせないと考えています。実際、連携機関として国立高専機構にもご参画いただいていますし、豊橋技科大の設備を利用した高専生対象の半導体デバイス作製実習も行っています。

身の回りには半導体を使った製品があふれていますが、その中身を作ったことがある人は大学を出た人でもほんの一握りです。実際に中身を作ることで、座学講義の理解が深まるだけでなく、最新のスマホや経済ニュースを全く違う観点から楽しめるようになります。また、Green-niXではこういった実習に加え、高専生に向けた学習プログラムをさらに拡充していく予定なので、多くの方にご活用いただければと思います。

―最後に、高専生へメッセージをお願いします。

高専の学生は非常に優秀です。他の先生方からも「高専生は実験レポートのクオリティが高い」といったお話をよく伺います。外部からの評価は卒業しないと受けられないので、在学中は不安に感じるかもしれませんが、安心して好きなことを深めてもらえればよいのではないかと思います。

また、Green-niXのように、各高専には様々な連携プログラムがあります。これらを活用すれば、高専にいながら一足早く最先端技術に触れることが可能です。高専の強みは、同世代の人よりも先んじて関心のある分野を深掘りできること。自分の興味に合致するプログラムがあればぜひ活用し、学年にとらわれずどんどん前進してください。

白倉 孝典氏
Takanori Shirokura

• 東京工業大学 科学技術創成研究院 集積Green-niX+研究ユニット 特任助教

2016年3月　沼津工業高等専門学校 電気電子工学科 卒業
2018年3月　東京工業大学 工学部 電気電子工学科 卒業
2020年3月　東京工業大学 工学院 電気電子コース 修士課程 修了
2022年12月　東京工業大学 工学院 電気電子コース 博士課程 修了
2023年1月　東京工業大学 工学院 集積Green-niX研究・人材育成拠点 特任助教
2023年7月より現職