分子キラリティでスピンを操る

19世紀、フランスの化学者ルイ・パスツールは、ワインの沈殿物である酒石酸の結晶を観察する中で、ある不思議な現象に気がついた。よく見ると、かたちは似ていても左右が反転した2種類の結晶が存在し、それぞれが光の偏光を逆方向に回転させる性質を示したのである。この発見は、「分子構造の非対称性」が物質の機能に大きな影響を与えることを示した最初の例である（図1）。後に「キラリティ（chirality）」と呼ばれるこの性質は、右手と左手のように、互いに鏡像であって重ね合わせることができない構造を意味する。DNAやアミノ酸など生命を構成する分子の多くはキラリティをもっており、その機能は構造の非対称性と密接に関係している。そして近年、この分子の非対称性が、電子の基本的な性質である「スピン」にも関与することが明らかになってきた。

図１　キラリティ誘起スピン選択性の概念図
右巻き（P-helix）と左巻き（M-helix）のキラル分子が、電子のスピン方向に応じて選択的に透過性を示す様子を模式的に示している。これは、分子のキラリティがスピンと運動の結合に影響を与え、特定のスピン状態の電子だけを通しやすくする現象である。

電子はマイナスの電荷をもつだけでなく、スピンというミクロな磁石としての性質をもっている。これは、電子が右回りまたは左回りに自らの軸を中心に回転しているかのような性質に由来し、アンペールの法則が示すように、その回転運動は微小な磁場を生み出す。このため、電子は磁石のN極とS極のような上向き・下向きという2つのスピン状態をとる。興味深いのは、この電子の回転の向きという非対称性が、分子の非対称性であるキラリティと結びつくことである。キラリティをもつ分子や材料を電子が通過すると、その構造の“ねじれ方向”に応じて、一方の向きのスピンをもつ電子が優先的に選ばれるという現象が起こる。この現象は「キラリティ誘起スピン選択性（CISS効果）」と呼ばれ、キラル構造がスピンの“選別フィルター”のように機能していることを意味する（図2）。従来、スピンの向きは磁石や外部磁場を用いて制御することが一般的であったが、CISS効果においてはこれらを一切使わず、分子構造の非対称性だけで電子のスピン、すなわち磁気的性質を制御できるという点に、大きな学術的・応用的価値がある。

図２　キラルTiS2電極の模式図

キラル分子を層間に挿入したTiS₂の電極構造の模式図。左手系（左図）では上向きスピンの電子が選択的に透過し、右手系（右図）では下向きスピンの電子が選ばれる。キラル構造がスピンの向きを識別する。

近年、従来の電子の電荷を利用したエレクトロニクスに対して、電子のスピンの情報も利用する「スピントロニクス」と呼ばれる次世代技術が注目されており、超低消費電力・高密度な情報処理が可能になると期待されている。筆者らは、CISS効果をより強く引き出し、スピントロニクスへ応用することを目指して、分子だけでなく電極全体にキラリティをもたせた「キラル電極」の開発に取り組んでいる。用いた材料は、MX₂型（M＝遷移金属、X＝カルコゲン元素）と呼ばれる構造をもつ層状の無機結晶である。本研究で用いたのは、電気を良く流す金属的性質をもつ二硫化チタン（TiS₂）という物質である。この層状二硫化チタンの層間に、メチルベンジルアミンというキラリティをもつ有機分子を挿入することで、結晶全体が非対称な構造をもつように設計した。この複合電極を通過する電子のスピン状態を調べた結果、驚くべきことに最大で95%もの電子のスピンが同じ向きに揃っていた。つまり、流れる電子のほとんどが、キラル構造によって特定のスピンの向きに選び分けられていたのである（図3）。外部磁場や磁性材料を使わずに、構造の工夫だけでこれほど高いスピン選別ができたのは、極めて特異な成果である。このように、分子の「かたち」を電極材料設計にい生かすという新しいアプローチは、スピンを自在に操るデバイスの実現に向けた、大きな一歩となると考えられる。

図３　キラルTiS2電極のスピン選択性
キラルTiS2流れる電流におけるスピンの向きの依存性。層間に挿入する分子が右手系では下向きスピンが、左系では上向きスピンがほぼ選択的に伝導され、その選択性は95%にも達した。

本研究では、分子のキラリティを材料全体に取り入れることで、分子レベルの非対称性を結晶構造全体に拡張し、スピン選択的な電子輸送を可能にした。この「キラル電極」は、磁石を使わずに電子のスピンを制御することができ、スピントロニクスの実現に向けた革新的な材料設計の一例となっている。加えて、本研究で用いた有機分子は比較的軽元素から構成され、環境負荷が小さいという利点も有しており、環境調和型デバイス材料としての可能性も注目される。分子の「かたち」によって電子のスピンが制御されるという発想は、分子の構造と機能の関係を根本から問い直すものである。化学と物理の境界を越えたこの研究の先には、構造を“設計”することで電子のふるまいを“操作”できる、新しい物質科学の地平が広がっている。