【研究領域課題番号】22K20359 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / スピン流 / スピントルク / 磁化ダイナミクス / スピン渦度結合

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2022-08-31 - 2024-03-31

【配分額】2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)

【研究領域課題番号】21K20356 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / スピンダイナミクス / スピン起電力 / 表面弾性波 / スピン流 / 格子歪み

【研究成果の概要】

本研究では、物体の静的な歪みとスピンの結合を利用したスピン流生成機構の理論的な解明を目指している。その前段階として、表面弾性波に伴う動的な格子歪みを利用したスピン起電力について解析を行った。
モデルとして、外部磁場が印加されている強磁性金属へ表面弾性波が注入されている場合を考える。この時、表面弾性波に伴う格子の回転変形（反対称歪み）と伝導電子スピンはスピン・渦度結合により結合することが知られている。また同時に、格子の歪み変形（対称歪み）と局在磁化は磁気弾性結合を通して結合する。この二つの効果が伝導電子スピンと局在磁化の結合であるs-d交換相互作用によって組み合わさることで、表面弾性波の進行方向および深さ方向へ直流および交流起電力が生じることを見出した。さらに、本研究で提案するスピン起電力（スピン弾性起電力と呼ぶ）には表面弾性波の伝搬方向と外部磁場の印加方向について特徴的な非相反性が現れることが分かった。また、磁気弾性効果の強いニッケルを強磁性金属として用いる場合に発生する起電力の大きさを見積もったところ、数十nV程度の実験で観測可能な程度の起電力が発生することが分かった。本研究におけるスピン起電力は、表面弾性波デバイスさえ用意すれば、強磁性金属単膜という貴金属を必要としないシンプルなデバイス構造において実現するため、新奇の表面弾性波デバイスとしての応用が期待される。この研究成果はPhysical Review Letters誌に掲載された。

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2021-08-30 - 2023-03-31

【配分額】2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)

【研究領域課題番号】21K18607 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

物性物理 / スピントロニクス / 低温物性 / 量子流体固体 / ヘリウム / スピン流

【研究成果の概要】

本研究は、液体ヘリウムにおけるスピントロニクスの開拓を目指して、液体3Heおよび3He-4He混合液中で渦度生成により誘起される3He核スピン流を、白金に代表される金属壁中の電子スピンホール電流に変換する技術の開発を行うものである。
2021年度は、本研究を行うための希釈冷凍機装置の開発を行った。本研究の実験には、液体3Heおよびおよび3He-4He混合液が十分にフェルミ縮退する10mK以下の低温が必要となる。このような超低温度は希釈冷凍機、または希釈冷凍機と核断熱消磁装置の組み合わせにより実現可能であるが、近年の液体ヘリウムの入手難により、従来の冷凍装置の運用が困難となった。このため、現有の希釈冷凍機をパルスチューブ冷凍機と結合させて、無冷媒希釈冷凍機として動作させることを試みた。現在まで、希釈冷凍機ユニットを4K程度まで予冷する機構に問題があり、冷凍装置の十分な動作には至っていないが、予冷用ヘリウムガス循環装置を組み込むことで、正常な希釈冷凍動作が行える見通しを得た。
またスピン流検出実験については、液体の流速と金属壁として用いる白金膜の厚みを検討して具体的な実験条件を決定し、それに基づいたスピンホール電流の詳細な見積と実験装置の設計を行った。さらに、多孔性を有する金属を液体ヘリウムの流路に用いることで、渦度および乱流状態を生成するという新たな着想を得た。この方法におけるスピン流検出の可能性について、検討を行った。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2021-07-09 - 2023-03-31

【配分額】6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)

【研究領域課題番号】19K14649 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピン流 / 光起電効果 / 量子磁性体 / スピントロニクス / シフト流 / 非線形応答 / トポロジカル絶縁体 / 軌道流 / 非線形光学効果 / 軌道自由度

【研究成果の概要】

本年度は、１マグノン過程による光誘起スピン流の解析を引き続き行った。まず、昨年度導出した公式を拡張し、任意の模型に適応できる非線形スピン流の公式を導出した。この公式は、任意のcolinearな磁気秩序に対して適応できる公式となっており、物質に則した模型における計算に適している。
続いて、非線形スピン流の実験にむけて候補物質を探索した。上で導出した公式を用いて、イジング異方性のあるCrハライド系の光誘起スピン流を計算した。そして、２層Crハライドの有効模型において、昨年発見した２バンド過程（２つのマグノン・バンドを介した過程）によるスピン流が生じることを確認した。この系のスピン流密度はトイ・モデルを用いた先行研究の予測よりも大きい。さらに、このスピン流は反強磁性秩序状態のみで生じ、強磁性相では見られないこと、磁気異方性や磁場を用いてマグノンの寿命を制御することでスピン流の強度を制御できることを見出した。これらの研究により、光によるスピン流の整流効果の存在と候補物質が明らかとなった。
一方で、光誘起スピン流などにおける角運動量の非保存性や散逸の影響については、ほとんど理解されていない。この問題を解決するため、１次元スピン鎖の光誘起スピン流を対象として、境界におけるスピン角運動量の蓄積を計算するコードを作成した。
さらに、ファンデルワールス物質の積層構造の一種であるグラフェンのモアレ超構造でにおける光起電効果と関連した電子格子冷却率の理論研究を行った。具体的には、昨年度行ったフラッドバンドの理論研究を拡張して、モアレ超構造の多バンド効果を考慮したモデルを立てた。そして、パーセル効果によるバンド間散乱の増幅効果を考慮した電子格子冷却率の公式を導出した。
最後に、モアレ超構造の電気伝導におけるパーセル効果の影響を評価し、40K程度の高温までフェルミ液体的挙動が見られることを指摘した。

【研究種目】若手研究

【研究期間】2019-04-01 - 2023-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究領域課題番号】19K15431 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピン流 / 分子 / 界面 / スピントロニクス

【研究成果の概要】

これまでにスピントロニクスの分野で注目されていなかった分子の性質を使って、新たなスピン機能を発現する界面を作り出すことを目的に研究を遂行した。鉛(II)フタロシアニンと銅の界面で、分子/金属界面における高効率スピン流-電流変換(逆エデルシュタイン効果)を初めて実証した。分子が金属表面にちょうど1分子層積層されたときに、その変換効率が最大になることがわかった。本研究により、効率的なスピン機能を持った界面を作るためには、分子間力を考慮して表面に対する分子の吸着姿勢を制御することが重要であるこという知見が得られた。

【研究の社会的意義】

スピン流と電流の相互変換は、スピントロニクスの根幹をなす現象である。本研究では、有機分子と金属界面におけるスピン流-電流変換を初めて実証した。染料としても使用されている有機分子(フタロシアニン)を金属表面に塗布するだけで、スピン流-電流変換を示す界面を簡便に作製することができる。本研究により、スピントロニクス素子の材料としての分子の可能性が拓かれたため、その学術的・社会的意義は非常に大きいと考えられる。

【研究種目】若手研究

【研究期間】2019-04-01 - 2021-03-31

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究領域課題番号】19H00864 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピン流 / スピン軌道トルク / スピントロニクス

【研究成果の概要】

スピン軌道相互作用によるスピン流生成は、スピン軌道トルクによる磁化制御をはじめとする多彩な物性・機能を生み出し、近年のスピントロニクスの基盤となっている。本研究では、スピントロニクス素子の酸化レベル制御を中心とした独自のアプローチにより、界面・バルクスピン軌道相互作用に起因するスピン流・スピン分極生成とスピン軌道トルク物性を開拓した。これにより、界面・バルクスピン軌道トルクの制御手法が明らかとなった。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2019-04-01 - 2022-03-31

【配分額】47,190千円 (直接経費: 36,300千円、間接経費: 10,890千円)

【研究領域課題番号】19K23588 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / スピンダイナミクス / ジスプロシウム / スピン注入 / 反強磁性体 / 反強磁性 / 磁化相転移 / スピン流 / スピン渦度結合 / 表面弾性波

【研究成果の概要】

本研究では、巨視的な回転運動と電子スピンの結合であるスピン渦度結合を反強磁性を示すDyに適用することで、Dyを用いた非熱的スピン流生成技術の実現を目指した。
まずはDyの薄膜化を目指して、スパッタ成膜の最適条件を探索し、高品質なDy薄膜を実現した。更にDy薄膜を用いたスピン注入実験から、反強磁性状態にてスピンポンピング効率の強い抑制効果の観測に成功した。上述の実験に成功した一方で、スピン渦度結合の実験では、Dy薄膜を伝搬した表面弾性波の信号強度が著しく低減してしまった。これを解決するために、Dyの更なる薄膜化を目指した。今後は薄膜化したDyを用いたスピン渦度結合の観測を試みる。

【研究の社会的意義】

反強磁性体はデバイス応用上、多くの優れた特性を有しており、次世代デバイスの要素材料として注目されている。本研究では目標としていたスピン渦度結合を用いた反強磁性スピン注入の観測はできなかったが、常磁性、強磁性、反強磁性状態が温度によって発現するジスプロシウム(Dy)薄膜の成膜、更にスピンポンピング効果によるスピン注入に成功した。その結果、他の磁気状態に比べて反強磁性-Dyでは強いスピンポンピング効果の抑制が観測され、反強磁性-Dyにて長距離なスピン伝搬が実現されている可能性を示した。今回得られた成果は、Dy薄膜が反強磁性スピントロニクスデバイスの材料として有用であることを示すことができた。

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2019-08-30 - 2021-03-31

【配分額】2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)

【研究領域課題番号】19K21035 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

熱流スピン流変換現象 / スピン流 / 熱流スピン流変換 / スピントロニクス / スピン流-熱流変換 / スピン流-熱流変換現象

【研究成果の概要】

スピンペルチェ効果/スピンゼーベック効果はスピン流（電子の自転の流れ）を利用した次世代の熱電変換技術として注目を集めている。これらの現象の理解は未だ基礎研究の段階にあり、熱電変換効率の低さが課題となっている。この課題解決に向け、本研究では長さスケールの観点から熱電変換の原理を究明した。スピン流の流れる物質の厚さを系統的に変化させ熱電効果を測定し、測定結果を理論および数値計算を用いて解析することで、スピン流と熱流の長さスケールを解明した。本成果により、スピン流熱電効果の原理が明らかになり、熱電変換効率向上へ向けた重要な指針が得られた。

【研究の社会的意義】

本研究の学術的意義は、スピン流熱流変換現象を支配する長さスケールを解明することにある。従来のエレクトロニクスに用いられてきた電流とは対照的に、スピン流は非保存流であるという事実から、スピン流熱流変換現象には物質固有の長さスケールが現れる。この長さスケールを実験および理論の両面から解析し、スピン流と熱流がそれぞれ特有の拡散長が存在することを明らかにした。本成果により、長さスケールという観点からスピン流を最大限に利用するための方策が導かれ、熱電変換効率向上に向けた指針が示された。

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2019-04-01 - 2020-03-31

【配分額】2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)

【研究領域課題番号】19K21031 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / スピンゼーベック効果 / マグノン / 磁性ガーネット / 中性子散乱 / スピン流

【研究成果の概要】

本研究では、磁性ガーネット群の磁気励起特性（分散関係・寿命）を中性子散乱を基軸とした検出法により調べ、これらの情報をもとにスピンゼーベック効果(SSE)の信号特性を理解することを目指した。本研究を通じて、Y3Fe5O12(YIG)及び Tb3Fe5O12(TbIG)の磁気励起の全体像を解明することに成功し、LLG方程式に基づく理論計算と組み合わせることで、これら物質群のSSEの温度特性を説明可能であることを見出した。また、Bi-Ga置換のLuIG系において、低磁場域で巨大なマグノン-フォノン混成SSEを観測し、本結果が元素置換に伴うマグノン分散の変化と寿命低下によって理解できること示した。

【研究の社会的意義】

本研究により、物性物理学の重要概念である“素励起”という観点から、熱スピン変換現象を包括的に理解するための指針が得られた。絶縁体スピントロニクス分野の基盤材料であるイットリウム鉄ガーネットYIGのマグノン分極を初めて観測したことは意義深く、今後本手法を利用して、より複雑な磁気構造をもつ材料のマグノン分散・分極の検出が期待されている。また本研究を通じて、これまで関係性が希薄であった中性子などを利用する量子ビーム分野とスピントロニクス分野とが有機的に結合していくための端緒が開かれたと言える。

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2019-04-01 - 2020-03-31

【配分額】2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)

【研究領域課題番号】18H03860 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / 磁化反転 / トンネル磁気抵抗効果 / 電界効果 / 分子線エピタキシー / 酸化物 / エピタキシャル / 半導体 / 強磁性 / スピン流 / エピタキシャル成長 / トランジスタ / 二次元界面 / トポロジカル / ヘテロ構造 / スピントランジスタ / 単結晶

【研究成果の概要】

本研究では、超高品質単結晶ヘテロ構造の作製技術を用いることにより、物質が本来内因するスピンに依存した機能性を新たに開拓することを目標とした。実際に、酸化物の二次元電子ガスを用いて極めて高効率のスピン流電流変換に成功した。半導体ベースの強磁性材料において、強磁性体単一層に電流を流すだけで磁化反転が起こることを見出し、世界最小電流密度での磁化反転に成功した。酸化物磁気トンネル接合において、強磁性酸化物界面の特異な状態密度を活かして、金属系接合で磁化反転に必要な電流密度より約8桁小さな電流密度で磁化の90度回転が起こることを発見した。デバイス応用上有望な様々な新たな基礎的な知見を得ることができた。

【研究の社会的意義】

原理的にエネルギー散逸がないとされている純スピン流を利用したり、強磁性体の磁化の不揮発性を利用して現在の集積回路を完全不揮発にすることにより、情報機器の消費電力を極限まで低減できる新しい技術を開拓することは極めて重要な課題である。本研究では、スピンの散乱を大幅に低減可能なオールエピタキシャルの酸化物二次元電子系や、半導体や酸化物の高品質単結晶ヘテロ構造を用いて、非常に高効率のスピン流電流変換や、世界最小の電流密度での磁化反転現象や磁化回転現象などを観測することに成功した。本研究で得られた新たな知見は、将来的には、全不揮発の極限的な低消費エネルギー情報処理技術の実現に結びつくものと期待される。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2018-04-01 - 2022-03-31

【配分額】44,330千円 (直接経費: 34,100千円、間接経費: 10,230千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】16K13842 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / マグノン / スピン流 / 反強磁性体 / 物性実験 / スピンエレクトロニクス

【研究成果の概要】

本研究では、反強磁性体中のマグノンを、スピン角運動量の流れであるスピン流の伝送媒体として活用することを目指している。具体的には、スピンゼーベック効果の観測を介して、熱的に励起された反強磁性マグノンがスピン流の担い手になれることを実験的に明らかにした。また、スピン波分光測定を通じて反強磁性マグノンの実空間における伝搬特性の直接評価を行い、反強磁性マグノンが強磁性マグノンと遜色のない伝搬長を備えていることを明らかにした。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】16K13827 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / スピン流 / 量子スピン系 / スピン液体 / スピノン / マヨラナ粒子 / キタエフ模型 / スピンエレクトロニクス / 低温物性 / 磁性

【研究成果の概要】

本研究課題では、量子スピン液体状態に特有なスピン励起（スピノン、マヨラナ粒子）を用いたスピン流の実験的開拓を目指して研究を行った。典型的な一次元量子スピン系銅酸化物Sr2CuO3においてはスピノン励起の存在が実験的に確立されており、本研究ではSr2CuO3に温度勾配を印加することでスピノンスピン流が生成されることをスピンゼーベック効果測定を用いて実証した。さらに、非常に最近特に興味をもたれているキタエフ模型スピン液体物質RuCl3において、同じく温度勾配を利用して生成したマヨラナ粒子の流れを、熱伝導率測定を用いて観測した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)

【研究分野】応用物性

【研究領域課題番号】15H02012 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / スピン流 / スピンゼーベック効果 / スピンペルチェ効果 / マグノン / フォノン / 異常エッチングスハウゼン効果 / ロックインサーモグラフィ / 磁性材料 / スピンエレクトロニクス / 磁性 / 誘電体物性 / 熱工学

【研究成果の概要】

スピントロニクスとフォノニクスの融合により、熱スピン変換の高性能化・自在制御に資する物理と材料技術を開拓した。主な研究対象は、熱流からスピン流を生成するスピンゼーベック効果と、その逆効果であるスピンペルチェ効果である。スピンゼーベック効果の系統的な測定により、ナノ構造化によるマグノン・フォノン伝搬の独立制御、及び磁気弾性結合を介した熱的スピン流生成を実現した。さらにロックインサーモグラフィ法に基づく熱スピン効果のイメージング計測技術を確立し、スピン流に空間的に局在した温度変化が伴うことを見出した。これらの成果は、フォノニクスを取り込んだ次世代スピントロニクスの基盤となることが期待される。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】42,770千円 (直接経費: 32,900千円、間接経費: 9,870千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】15H06133 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

非相反電荷輸送現象 / 空間反転対称性の破れ / スピン軌道相互作用 / 極性 / ラシュバ系 / カイラリティー / スピントロニクス / スピン流

【研究成果の概要】

ラシュバ型バンド構造を持つ極性半導体BiTeBrにおいて、結晶の空間反転対称性の破れに起因する電流の非相反性を検出することに成功した。観測された非相反電荷輸送現象は極性構造に特有の磁場・電流方位選択則を見たし、シグナルのキャリア数依存性や温度依存性から微視的機構を明らかにした。
また、非相反電荷輸送現象をカイラリティーを持つ物質に拡張し、特にWS2カイラルナノチューブの電界誘起超伝導相において巨大な超伝導電流の非相反伝導効果が生じることを発見した。結晶カイラリティーの超伝導への影響を初めて実証すると同時に、非相反超伝導現象が特徴的な形状による量子干渉効果の影響を受けることも見出した。

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2015-08-28 - 2017-03-31

【配分額】2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)

【研究分野】応用物性

【研究領域課題番号】26220604 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピン流 / スピン軌道相互作用 / スピントロニクス

【研究成果の概要】

本研究は、スピン軌道相互作用を基軸とした新原理の電子技術構築に向け、スピン流－電流変換の体系的理解と制御・増大手法の確立を目指すものである。本研究により、非線形領域まで含めた界面スピン変換の体系的理解が得られるとともに、界面及びバルクスピン軌道相互作用により発現する電流－スピン流変換の新現象が明らかとなった。さらに、酸化・有機分子・イオン液体を用いたこれまでにないアプローチによって、スピン流変換の電気的・光学的制御機構を発現させることに成功した。

【研究の社会的意義】

スピンベースの電子物理・技術の基盤はスピン流の生成と変換である。本研究により得られたヘテロ界面におけるスピン流生成現象の体系的理解は、近年発見が相次ぐ、界面スピン流変換によって駆動されるスピントロニクス現象の基礎となるものであり、大きな学術的波及効果が期待できる。さらに、酸化・有機分子を用いたこれまでにないアプローチによって得られたスピン流変換に関する新現象と制御原理に関する知見は、スピン流変換を基軸とした新たなスピン流デバイス機能実現へのルートを拓くものである。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2014-05-30 - 2019-03-31

【配分額】195,000千円 (直接経費: 150,000千円、間接経費: 45,000千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】26610091 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超伝導 / ボルテックス / スピン流 / スピントロニクス / 量子渦 / 超伝導ボルテックス / スピン注入

【研究成果の概要】

第二種超伝導体においては、外部磁場が内部を貫通し局所的に超伝導状態を壊すことでその周りを超伝導電流が渦のように流れる超伝導ボルテックスが生じる。本研究では、超伝導ボルテックスの流れによるスピン流の創成を目指して研究を行った。試料としてｓ波超伝導体やｄ波超伝導体の薄膜と強磁性絶縁体薄膜の超伝導｜強磁性二層膜を作製し、温度勾配やマイクロ波照射による超伝導体へのスピン流注入実験を行った。超伝導体内に注入されたスピン流をスピン流-電流変換現象を通じて電気的に検出したところ、超伝導状態に特有の電気信号が観測された。この信号が超伝導ボルテックスと関係していることを示し、物理的機構を詳細に検討した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2014-04-01 - 2016-03-31

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】26220711 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

メゾスコピック系 / スピントロニクス / 非平衡 / ゆらぎ / 近藤効果 / 超伝導 / スピン流 / 熱流 / アンドレーエフ散乱 / スピン依存伝導 / 量子液体 / 位相 / ナノエンジン / 国際研究者交流　フランス

【研究成果の概要】

微細加工技術を駆使して作製される微小な固体素子は、非平衡状態を定量的に観測・制御することのできる理想的な舞台の一つである。本研究では、精密な伝導度・ゆらぎ測定と種々の理論的アプローチを組み合わせることによって、固体中を電荷とスピンが輸送される微視的な過程を研究した。近藤効果・スピン流・熱流・ゆらぎの定理・端状態・超伝導接合などに対して本質的な新展開をもたらす多彩な成果を上げた。特に、非平衡状態における近藤効果の研究によって、強相関量子液体の非平衡挙動を定量的に解明した。

【研究の社会的意義】

本研究では、固体中における電荷とスピンの様々な振る舞いを実験的・理論的に解明した。中でも近藤状態の最新の理論を定量的に検証した成果は、これまでの非平衡量子多体系の実験的研究の中で、最も定量性の高い精密なものであり、普遍的な学術的意義を持つ。「非平衡」は現代物理学における最大の難問の1つである。近藤効果は代表的な量子多体効果であり、平衡状態における理解が確立している点で、非平衡を研究する格好の舞台である。その振る舞いを定量的に理解できたことは、今後の非平衡研究の重要な基盤となる。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2014-05-30 - 2019-03-31

【配分額】194,480千円 (直接経費: 149,600千円、間接経費: 44,880千円)

【研究分野】応用物性

【研究領域課題番号】25706017 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / スピン軌道相互作用 / ヘテロ構造 / スピン流 / スピンエレクトロニクス

【研究成果の概要】

スピンホール磁気抵抗効果を利用し、5d遷移金属のスピンホール角の大きさを調べた結果、スピンホール角は5d遷移金属の構造に大きく依存し、多くの材料でアモルファス構造が大きな値をもつことがわかった。また、スピンホール磁気抵抗の温度依存性からスピンホール角を正確に決めるためには、強磁性金属層への縦スピン吸収を考慮しなければならないことを明らかにした。さらに、電流誘起有効磁場のベクトル分解測定とその温度依存性から、非磁性/強磁性界面におけるスピンミキシングコンダクタンスが特異な値を持つことがわかった。さらにこの界面では、物質の組み合わせによってジャロシンスキー守谷相互作用を制御できることがわかった。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】24,830千円 (直接経費: 19,100千円、間接経費: 5,730千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】23656012 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / 熱電材料 / スピン流 / バイポーラ拡散 / 熱電効果

【研究成果の概要】

多数スピンのキャリアと少数スピンのキャリアのタイプが異なる物質では,温度勾配に起因する両極性拡散により発生する両者のスピン流が逆方向を向くことから,有効なスピン流の発生源となるとの我々の予測に基づき第一原理電子状態計算による物質探索と実験的な検証を行うことを目指した.電子状態計算の結果,Mn,Fe,Coを添加したGaAs,及びMnを添加したInAs/GaSb超格子も有力であることを見出した.しかし,実験的な確証を得るには至らなかった.

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2011 - 2012

【配分額】4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】22760015 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / 磁壁移動 / スピントルク / スピン流 / 磁性材料 / 磁化ダイナミクス / 熱流

【研究成果の概要】

本研究では、基板上の温度勾配や強磁性細線中に励起したスピン波を利用して、電流で駆動した磁壁の閾値電流密度を下げる基盤技術の構築を行った。ジュール加熱を利用して、基板上に温度勾配を形成する手法を確立した。強磁性細線中の伝播スピン波の評価を行い、表面モードの励起・検出に成功した。また、連続する2つのパルスを用い、スピン波の干渉を利用して伝搬スピン波の増幅に成功した。マイクロ波磁場を印加し、強磁性共鳴を利用して磁壁の核形成磁場を低減する手法を確立した。磁場で駆動した磁壁の移動速度は今のところ、スピン波を印加しても変化しなかった。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2010 - 2011

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】22560004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / スピン軌道相互作用 / ナノワイヤ / ネルンスト熱電能 / ビスマス / InGaAs系 / シュブニコフ・ド・ハース振動 / 熱電能 / 量子振動 / モットの関係 / スピン流 / ネルンスト効果 / フォノンドラッグ

【研究成果の概要】

固体物質中のキャリアにスピン軌道相互作用が働く場合、その物質に熱伝導を与えると、熱流に垂直にスピン流が現れるスピンネルンスト効果が起こる可能性がある。我々は、スピン軌道相互作用が働くナノスケールの物理系の電子状態を調べ、材料に熱伝導を与えたときの輸送現象に対する不純物の効果とフォノンドラッグ効果を理論的に考察した。また、ワイヤ径が数百nm程度のBi単結晶ナノワイヤを製作し、その電子物性を測定した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】22840005 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / スピン流 / スピンダイナミクス

【研究成果の概要】

強磁性/常磁性金属接合における磁化ダイナミクスによるスピン流生成「スピンポンピング」の一般原理を開拓した。フェルミ面の分極の符号が逆であるNiとFeの合金系列に注目し、NiFe/Pt接合におけるスピンポンピングを逆スピンホール効果により系統的に調べた。この結果、逆スピンホール効果による起電力はNiとFeで同符号であり、且つ起電力の大きさ、即ち生成されるスピン流量は飽和磁化及び緩和定数により系統的に変化することを見出した。この結果はNiFe/Pt系におけるスピンポンピングにおいて、磁化歳差運動の軌道が本質的であることを示している。本結果を理解するため、LLG方程式に基づく現象論的模型を構築し、NiFe/Pt系におけるスピンポンピングの普遍性を理論・実験両面から明らかにした。またスピンポンピングを用いることで、半導体へのスピン流注入を室温で実現した。強磁性金属/半導体接合における電気的スピン注入の手法は、インピーダンスミスマッチによるスピン流の巨大な損失が問題となる。これまで知られていた唯一の解決法は界面にトンネル障壁を挿入することであるが、良質なトンネルバリアを成長させる困難と、トンネル障壁の存在による電流密度の制限のため、全く異なる物理原理に基づくスピン注入手法が希求されていた。本研究では、強磁性金属/半導体接合において磁化ダイナミクスを用いて半導体中のキャリアにスピン圧を直接与えることで、インピーダンスミスマッチフリーのスピン注入が可能であることを明らかにした。

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2010 - 2011

【配分額】3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】21244058 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピンゼーベック効果 / スピントロニクス / スピン流 / 熱電効果

【研究成果の概要】

実験・理論の両面から熱スピントロニクスに関する系統的な研究を行い、温度勾配によるスピン圧生成現象「スピンゼーベック効果」の微視的起源がスピンの非相反性と揺動によって駆動される熱的スピンポンプ効果であることを明らかにした。この新しいスピン流駆動原理を用いることで、絶縁体におけるスピンゼーベック効果や音波注入によるスピン流生成現象の観測に成功した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2009 - 2011

【配分額】47,840千円 (直接経費: 36,800千円、間接経費: 11,040千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】18684021 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / スピン流 / ナノ磁性体

【研究成果の概要】

スピン流生成のモデルとして最もシンプルな金属二層膜及び微細加工したワイア・膜接合を利用し、スピンダイナミクスや磁化不均一構造からのスピン流生成を系統的に調べた。本研究の主要成果は、以下に集約される。(1)スピントルクとスピンホール効果の併用によりスピン緩和が電気的に変調され、これはスピン流の定量や磁化緩和制御に利用できる。(2)スピンダイナミクスからのスピンポンプの強度を決める条件を見出し、最適なスピンポンプ条件を定式化した。(3)NiFe/Ptにおいて、磁化ダイナミクスとスピン流、電流の相互作用を定量的に体系化した。(4)超スピン流(スピン波スピン流)のスピンホール効果を用いた電気的検出に成功した。(5)NiFeに温度勾配を与えることによってスピン圧が生じる現象「スピンゼーベック効果」を発見した(Natureに論文掲載)。以上により、本研究の目的が全て達成された。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】29,510千円 (直接経費: 22,700千円、間接経費: 6,810千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】17104005 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

金属スピントロニクス / 金属ナノ磁性 / スピンホール効果 / ナノ磁壁 / 非対称ポテンシャル / スピントロニクス / 分子モーター / ラチェット駆動 / スピン流 / 磁壁モーター / スピントルク

【研究成果の概要】

以下の3つの主要テーマについて研究を遂行し成果を得た。
1.磁気リング構造における磁壁ペアのラチェット回転運動
本研究を通じて磁壁対のフラッシィングラチェット回転運動を誘導し、二次元電子ガスの曲がり抵抗を用いて、その運動形態を検出する手法を確立した。一つの応用としてスピン誘導起電力の測定を試みたが、出力が予想より小さく検出が困難であった。本研究を通じて得られた知見を基に、素子構造の改良など今後の研究課題としたい。
2.磁気ゲートを用いた調整可能な磁壁ピン止め素子
静磁気相互作用による磁壁ピン止めを一対の強磁性細線を用いて引き起こすゲート形状の設計と実験検証を完了した。二つの強磁性細線の磁化状態を外部磁場により平行から反平行状態に配行することにより、磁壁のピン止めを有効にすることが可能となった。この手法は磁壁のラチェット駆動や演算素子の構成要素となる可能性を示唆する。
3.スピン整流素子
スピン偏極していない電流からスピン流を取りだすスピン整流法としてスピンホール効果が有効であることを実験的に示した。効果の最適化に取り組んだ結果、スピン吸収法を用いることにより、従来半導体試料で観測されている素子と比べ1000倍大きな効果を室温で観測することに成功した。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2005 - 2009

【配分額】80,080千円 (直接経費: 61,600千円、間接経費: 18,480千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】16740210 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノ磁性 / メゾスコピック系 / スピントロニクス / スピン流 / ナノ磁性体 / 量子伝導

【研究成果の概要】

昨年度の研究の継続としてNb/NiFe/Nbナノ構造の低温輸送物性を測定した。強磁性NiFe層を近接効果で流れる超伝導電流の観測に成功したが、その臨界電流はNiFeの磁気構造に依存しなかった。また、イオンビームスパッタ法によってNiFe/(Nb,Pt,Cu)複合膜を作製し、逆スピンホール効果の検出を試みた。試料面内に磁場を印加しつつ周波数一定のマイクロ波を試料に照射し、常磁性金属層に生じる起電力の磁場強度依存性を測定した。マイクロ波によってNiFe層が強磁性共鳴状態にあるとき、スピンポンピング効果によって常磁性金属層に界面垂直方向を向いた純スピン流が生じる。このとき常磁性層のスピン-軌道相互作用によって純スピン流は電流に変換される(逆スピンホール効果)。この電流の流れる方向は、NiFe層の磁化ベクトルの方向即ち外部磁場の方向にも垂直であるため、常磁性層に生じる起電力の外部磁場依存性を測定することにより逆スピンホール効果を選択的に検出できる。本研究ではNiFe(10nm)/Pt(7nm)複合薄膜にXバンドマイクロ波を照射することで10nVの逆スピンホール効果による起電力の検出に成功した。この信号はNbやCuとの複合膜では観測されなかったことから、Pt中の大きなスピン-軌道相互作用が逆スピンホール効果において重要であることを示している。逆スピンホール効果は金属・超伝導体中の純スピン流を検出するための現在唯一の手法であり、本成果はスピントロニクス研究の大きな推進力となると期待できる。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2004 - 2005

【配分額】3,700千円 (直接経費: 3,700千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】16740167 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピンエレクトロニクス / スピンホール効果 / エッジ状態 / トポロジカル秩序 / スピン流 / ビスマス / 表面状態 / グラファイト / ベリー位相 / スピントロニクス / フォトニック結晶 / スピン軌道相互作用 / p型半導体 / 電気分極 / ゲージ場

【研究成果の概要】

電場でスピン流を誘起する効果(スピンホール効果)について、本年度は特に量子スピンホール相に着目し研究した。量子スピンホール相とはトポロジカル秩序の一種で、非磁性絶縁体であるが非自明なトポロジカル数を持ち、不純物等に対して安定な表面状態を持つ。こうした相は理論的に提唱されたものの、実験と関連づけられる系はまだないため、その候補となる物質探索を行った。前年度研究代表者が発見したように、絶縁体でのスピンホール効果は帯磁率と関連づけられるため、反磁性帯磁率の大きいビスマスについて、薄膜の場合にトポロジカル数の計算やバンド計算を行い、2次元系では量子スピンホール相になることを提案した。3次元での表面状態等の実験との比較を行い、半金属ビスマス、アンチモンやそれらの合金が量子スピンホール相の候補となることを理論的に提案した。本結果を実験研究者や第一原理研究者へと提案し、実験的検証に向け研究を進めている。
上記とも関連して電荷のポンピングの研究も行った。異常ホール効果やスピンホール効果と、電荷のポンピングとは一見全く異なっているが、理論的な枠組み(ベリー位相の物理)は類似しており同様の方法論を使うことができる。特に今年度は不純物の多い1次元系について、ベリー位相によるトポロジーの効果が、(不純物の存在下でも)電荷ポンピングに強く影響することを実証した。
また光でも同様の現象が研究代表者らにより前年度に予言された。この光のベリー位相の物理について、今年度は精密な定式化を行い、媒質界面やフォトニック結晶内での光線のシフトを計算した。またX線についても、ベリー位相の効果が顕著になる例を発見した。それは歪んだ結晶中をX線波束が進む場合に、歪みの大きさよりも何桁も大きく波束がシフトするというものであり、これは最近実験的に観測されつつある。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2004 - 2006

【配分額】3,100千円 (直接経費: 3,100千円)