Antiferromagnetic spintronics in an organic crystal composed of light elements

• Project/Area Number: 20K20890
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 13:Condensed matter physics and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Furukawa Tetsuya 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (10756373)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2020: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
• Keywords: 有機磁性体 / 軽元素 / 反強磁性 / 熱輸送 / スピントロニクス / マグノン / 熱伝導 / 有機結晶

Outline of Research at the Start

近年、磁場擾乱に強く高速応答が可能である反強磁性体を用いたスピントロニクスへの注目が集まっており、その舞台となる物質群の探求が重要課題となっている。また、スピン軌道相互作用が小さく、スピン流を長距離伝搬させることができる系が、従来の舞台と相補的な存在として必要とされている。このような関心・問題意識を踏まえ、申請者は軽元素からなる有機結晶を舞台とした反強磁性スピントロニクスの可能性に注目し、有機結晶における反強磁性マグノン流を、外部磁場による磁気構造の操作によって制御することを目指す。

Outline of Final Research Achievements

In this study, we focus on organic antiferromagnets to explore new material systems to study spintronics. In order to investigate heat conduction by magnons, which are magnetic excitations produced by antiferromagnetic ordering, we performed heat transport measurements in κ-(ET)2Cu[N(CN)2]Cl and β'-(ET)2ICl2. The results revealed the presence of heat conduction by antiferromagnetic magnons in both salts. This result is the first detection of a remarkable magnetothermal transport phenomenon in quasi-two-dimensional organic antiferromagnets, and indicates that organic magnets are promising material systems for antiferromagnetic spintronics.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、物質内の磁気的な自由度を制御するスピントロニクスにおいて、その新しい舞台として有機物反強磁性体が有用な候補であることを示した。有機磁性体は炭素や水素をなどの軽元素から構成されるため、スピン軌道相互作用が弱く、さらにクリーンな系であるため、物質内でスピンが長距離伝搬できる可能性がある。本研究ではバルク結晶を用いた熱伝導測定を行い、格子振動だけでなく反強磁性に特有の磁気励起も熱を運ぶことを明らかにした。

Research Products

• [Journal Article] Thermal transport of a layered organic Mott insulator κ-(ET)2Cu[N(CN)2]Cl (2023)
  • Author(s): Tetsuya Furukawa, Hiromi Taniguchi, Takahiko Sasaki
  • Journal Title: JPS Conference Proceedings Volume: －
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Absence of spin susceptibility decrease in a bulk organic superconductor with triangular lattice (2022)
  • Author(s): Saitou Y.、Ichikawa N.、Yamamoto R.、Kitamata D.、Suzuki M.、Yanagita Y.、Namaizawa T.、Komuro S.、Furukawa T.、Kato R.、Itou T.
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 4 Issue: 2 Pages: 023196-023196
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.4.023196
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Emergence of unconventional spin glass-like state in k-(ET)2Cu[N(CN)2]Cl by introducing weak randomness (2021)
  • Author(s): Yamamoto Riku、Furukawa Tetsuya、Miyagawa Kazuya、Sasaki Takahiko、Kanoda Kazushi、Itou Tetsuaki
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 104 Issue: 15 Pages: 155107-155107
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.155107
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ワイル半金属BaMnSb2における121Sbの量子ホール状態でのNMR測定 (2023)
  • Author(s): Azimjon A.Temurjonov, 熊崎将司, 清水康弘, 松下琢, 小林義明, 近藤雅起A, 酒井英明A, 花咲徳亮, 山中隆義, 古川哲也, 佐々木孝彦
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 異方性結晶における偏光変調法を用いた赤外磁気光学カー効果測定III (2023)
  • Author(s): 井口敏, 小林広樹, 池本夕佳, 古川哲也, 伊藤弘毅, 岩井伸一郎, 森脇太郎, 佐々木孝彦
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] Thermal transport of a layered organic Mott insulator κ-(ET)2Cu[N(CN)2]Cl (2022)
  • Author(s): Tetsuya Furukawa, Hiromi Taniguchi, Takahiko Sasaki
  • Organizer: The 29th International Conference on Low Temperature Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 層状反強磁性モット絶縁体κ-(ET)2Cu[N(CN)2]Clにおける熱伝導 (2022)
  • Author(s): 古川哲也, 谷口弘三, 佐々木孝彦
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] エックス線照射により分子欠陥を導入した強相関有機超伝導体の赤外分光測定 (2022)
  • Author(s): 佐藤直道, 桐野友輝, 井口敏, 古川哲也, 杉浦栞理, 米山直樹, 池本夕佳, 森脇太郎, 佐々木孝彦
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] 擬二次元有機導体におけるモット転移近傍の量子臨界現象とスピン液体状態の研究 (2022)
  • Author(s): 古川哲也
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
  • Invited
• [Presentation] 500時間照射されたκ-(ET)2Cu[N(CN)2]Clのパルス電流印加下NMR測定と電流による電子の遅いゆらぎの増大 (2021)
  • Author(s): 山本陸, 齋藤悠貴, 石井翔大, 渡辺真帆, 古川哲也, 宮川和也, 佐々木孝彦, 鹿野田一司, 伊藤哲明
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] 傾斜エックス線照射により分子欠陥を導入した強相関分子性導体の赤外反射スペクトル測定II (2021)
  • Author(s): 佐藤直道, 桐野友輝, 井口敏, 古川哲也, 杉浦栞理, 米山直樹, 池本夕佳, 森脇太郎, 佐々木孝彦
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] 傾斜エックス線照射により分子欠陥を導入した強相関分子性導体の赤外反射スペクトル測定 (2021)
  • Author(s): 佐藤直道, 桐野友輝, 井口敏, 古川哲也, 杉浦栞理, 米山直樹, 池本夕佳, 森脇太郎, 佐々木孝彦
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 急冷法による(d8-DMe-DCNQI)2Cuの準安定相の性質とその発現条件 (2021)
  • Author(s): 房前勲, 園部裕貴, 関澤拓也, 山本陸, 南館孝亮, 古川哲也, 伊藤哲明, 加藤礼三
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] カイラル半導体Teにおける電流誘起NMRシフトの磁場角度依存性 (2021)
  • Author(s): 古川哲也, 小笠原直輝, 伊藤哲明, 平田倫啓, 佐々木孝彦
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] カイラル半導体Teにおける量子振動と非相反伝導 (2021)
  • Author(s): 須藤健太, 古川哲也, 小笠原直輝, 高橋武士, 小林夏野, 伊藤哲明, 木俣基
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 傾斜エックス線照射により分子欠陥を導入したκ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Brの赤外反射スペクトル測定 (2020)
  • Author(s): 佐藤直道, 桐野友輝, 井口敏, 古川哲也, 杉浦栞理, 米山直樹, 池本夕佳, 森脇太郎, 佐々木孝彦
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 傾斜エックス線照射した分子性有機導体κ-(BEDT-TTF)2Xの赤外分光 (2020)
  • Author(s): 佐々木孝彦, 佐藤直道, 古川哲也, 杉浦栞理, 井口敏, 米山直樹, L. Kang, 赤木和人, 池本夕佳, 森脇太郎
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] エックス線照射した分子性ダイマーモット絶縁体κ-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3における赤外分光 (2020)
  • Author(s): 桐野友輝, 佐藤直道, 井口敏, 古川哲也, 杉浦栞理, 米山直樹, 池本夕佳, 森脇太郎, 佐々木孝彦
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会