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ディラック電子系における逆ファラデー効果によるスピン流発生

Research Project

Project/Area Number 21K13863
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

河口 真志  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (90792325)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Keywordsスピントロニクス / ディラック半金属 / 逆ファラデー効果
Outline of Research at the Start

光と電子スピンの関係について、逆ファラデー効果によって生じるスピン流という新たな観点から研究を行う。特に、近年その特異な電子状態に着目してから盛んに研究が行われているBi等に代表されるディラック電子系を舞台として、逆ファラデー効果によってスピン流が生み出される過程について理解を深める。その成果を基にしてワイル半金属、トポロジカル絶縁体といった特異なバンドを持つ物質群に研究を展開していくことを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

ディラック半金属であるBiにおいて、円偏光を照射した際に電子にその角運動量が受け渡されることでスピン流が高効率に生じていると示唆される結果について、その原理を確かめるべく実験を行った。
これまで、不純物をBiに導入することで電子構造を変化させ、その結果として光-電子間での角運動量移行現象に生じる変化を通じて原理解明への糸口を探って来た。不純物を導入する方法としてこれまで用いていた不純物とBiを交互積層する手法では、Bi中に不純物が均一に拡散していない懸念があったため、不純物とBiを同時に製膜することで均一な物質系を作製する方法について取り組んだ。昨年度までについてはその結果として交互積層膜とはかなり異なる結果が得られていたが、今年度X線回折から交互積層膜と同時積層膜では構造が異なることが明らかになり、その原因が製膜時の温度に関係していると推定されたため、同時製膜の手法について改善を行った。それによって、同時製膜の手法と交互積層の手法について類似の結果が得られるようになった。
またそれと並行して電子系に角運動量が受け渡されている証拠を実証する実験を行った。これまで、円偏光入射によって生じる起電力がその根拠と考えてきたが、起電力を生じる現象には様々な要因が考えられるため、電子スピン固有の現象について着目して実験を行ってきた。前年度までについては強磁場を印加する実験を行ったが、特に有意な結果が得られなかった。それを受けて本年度についてはBi/強磁性膜にパルスレーザーを照射して強磁性体に変化が生じるか観測する実験を開始した。こちらは測定系の立ち上げには成功したものの、試料構造についてまだ検討が必要である。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

Biに不純物を導入する実験については進展が見られたものの、電子系に角運動量が受け渡されている点についてこれまでと異なる角度から実証する実験については難航している。計画段階で予定していた強磁場を印加する方法については、実施したものの有意な結果が得られなかったため、方針を変更しパルスレーザーを用いた実験を開始している。

Strategy for Future Research Activity

Biに不純物を導入する実験については進展が見られたものの、電子系に角運動量が受け渡されている点についてこれまでと異なる角度から実証する実験については難航している。計画段階で予定していた強磁場を印加する方法については、実施したものの有意な結果が得られなかった。今年度以降についてはパルスレーザーと強磁性体を用いた実験を行うことでこの点を明らかにしていく予定である。

Report

(3 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (13 results)

All 2023 2022 2021

All Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 1 results) Presentation (9 results)

  • [Journal Article] Spin Hall effect driven by the spin magnetic moment current in Dirac materials2022

    • Author(s)
      Chi Zhendong、Qu Guanxiong、Lau Yong-Chang、Kawaguchi Masashi、Fujimoto Junji、Takanashi Koki、Ogata Masao、Hayashi Masamitsu
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 105 Issue: 21 Pages: 214419-214419

    • DOI

      10.1103/physrevb.105.214419

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Interface-enhanced helicity dependent photocurrent in metal/semimetal bilayers2021

    • Author(s)
      Hirose Hana、Kawaguchi Masashi、Lau Yong-Chang、Chi Zhendong、Freimuth Frank、Takanashi Koki、Hayashi Masamitsu
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 103 Issue: 17 Pages: 1-6

    • DOI

      10.1103/physrevb.103.174437

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Switchable generation of azimuthally- and radially-polarized terahertz beams from a spintronic terahertz emitter2021

    • Author(s)
      Niwa Hiroaki、Yoshikawa Naotaka、Kawaguchi Masashi、Hayashi Masamitsu、Shimano Ryo
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 29 Issue: 9 Pages: 13331-13331

    • DOI

      10.1364/oe.422484

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Charge?spin conversion in Pt<sub>1?<i>x</i></sub>Bi<sub><i>x</i></sub> alloys for spin?orbit torque switching2021

    • Author(s)
      Chi Zhendong、Lau Yong-Chang、Kawaguchi Masashi、Hayashi Masamitsu
    • Journal Title

      APL Materials

      Volume: 9 Issue: 6 Pages: 061111-061111

    • DOI

      10.1063/5.0052534

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] キャリアドープしたディラック半金属における円偏光誘起電流2023

    • Author(s)
      宮崎 稜大、河口 真志、林 将光1
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Circular polarized light induced electromotive current in Dirac semimetals and topological insulators2023

    • Author(s)
      R. Miyazaki, M. Kawaguchi and M. Hayashi
    • Organizer
      PASPS-27
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 3次元Dirac電子系ビスマスの円偏光誘起異常Hall効果とFloquet二重Weyl状態2023

    • Author(s)
      平井誉主在, 吉川尚孝, 河口真志, 林将光, 奥村駿, 岡隆史, 島野亮
    • Organizer
      日本物理学会2023年春季大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] ディラック半金属PtSe2における偏光依存光応答2022

    • Author(s)
      安田 偉, 川田 拓弥, 河口 真志, 林 将光
    • Organizer
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Pulsed Laser Induced Chirality Switching in Tellurium Thin Films2022

    • Author(s)
      Haruo Kondo, Makoto Shoshin, Masashi Kawaguchi, Masamitsu Hayashi
    • Organizer
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] ディラック半金属における円偏光誘起起電流2022

    • Author(s)
      宮崎稜大, 河口真志, 林将光
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Dirac電子系ビスマスにおける円偏光誘起異常Hall効果2022

    • Author(s)
      平井誉主在, 吉川尚孝, 河口真志, 林将光, 奥村駿, 岡隆史, 島野亮
    • Organizer
      日本物理学会第77回年次大会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] Bi薄膜の光誘起スピンの 磁場・温度依存性2021

    • Author(s)
      梶山 陸, 河口 真志, 林 将光
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 円偏光励起によるBi薄膜からのテラヘルツ波放射の温度依存性2021

    • Author(s)
      平井誉主在,吉川尚孝, 廣瀬葉菜, 河口真志, 林将光, 島野亮
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
    • Related Report
      2021 Research-status Report

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Published: 2021-04-28   Modified: 2024-12-25  

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