在超高速、超低功耗自旋電子元件的開發中，元件材料内部的自旋行為至關重要，而現有的量測方法通常需要在自旋的測量上花費大約一週的時間。日本量子科學技術研究開發機構（QST）關西光量子科學研究所放射光科學研究中心的專案負責人岩澤英明、主幹研究員上野哲朗等與廣島大學研究生院先進理工系科學研究科的黑田健太副教授、廣島大學放射光科學研究所的奧田太一教授等合作，開發出了一種能夠以既往方法十分之一以下的時間測量電子自旋的新方法。研究團隊計劃在2025年夏季將這種方法導入到NanoTerasu（NanoTerasu Synchrotron Light Source，擁有世界最高性能軟X射線的同步輻射設施）中，用於共用光束線。相關研究成果已發表在期刊《Scientific Reports》上。
圖1 使用軟X射線自旋-角分辨光電子能譜技術檢測「磁隧道結（MTJ）元件」内部埋藏界面上存在的自旋示意圖。用軟X射線照射MTJ元件内部界面上存在的電子時，可以將電子釋放到外部（利用光電效應）。透過這種方法決定提取出的電子的「自旋」方向和運動。（供圖：量子科學技術研究開發機構）
自旋電子透過材料内部的自旋狀態來實施運算和存儲功能，因此測量這種狀態對元件的開發有着重要作用。此前，研究團隊開發了一種利用最先進的測量技術——軟X射線自旋-角分辨光電子能譜（SARPES）測量自旋狀態的設備。但該設備需要重複600次的測量程序並進行累計計算才能得到測量結果，測量一個元件約需要一週的時間，而在此期間樣品會劣化，所以測量精度會下降，尚未達到實用水平。
爲解決這一問題，研究團隊在測量程序中引入了AI技術，讓設備即使在測量時長較短且資料噪音較多的情況下也能提取出正確資訊，從而成功將測量時間縮短至既往方法的十分之一，達到了實用水平。
具體做法是，研究團隊使用了一種被稱爲高斯程序迴歸（GPR）的機器學習方法，每次在各個測量程序中獲取測量資料（測量光譜）時，AI都會透過該方法估算出無噪音的光譜，並評估其與實際測量光譜的吻合程度（GPR評分）。這種GPR得分就成爲了資料可靠性的指標。透過該方法，既往方法難以實施的「資料品質的定量判斷」首次成爲可能。
在使用拓撲絕緣體的實證實驗中，經過57次的測量，一致程度達到了95%（GPR評分0.95），說明能夠以與既往方法同等的精度來確定自旋極化度。這使得在1天之内完成可確保足夠精度的電子自旋測量成爲可能。
專案負責人岩澤表示：「該技術的應用不僅限於自旋電子材料，還可應用於全固態電池、功率半導體等所有的量子材料。因此我認爲，如果能夠在NanoTerasu上利用該技術，將大大推進新一代資訊元件的開發。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Scientific Reports
論文：Efficiency improvement of spin-resolved ARPES experiments using Gaussian process regression
DOI：10.1038/s41598-024-66704-8
