Exploration of novel energy harvesting approach with magnon shift current

• Project/Area Number: 21K18595
• 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: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Seki Shinichiro 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (70598599)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2021: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: スピントロニクス / 磁気共鳴 / マルチフェロイクス

Outline of Research at the Start

空間反転対称性の破れた物質では、「シフト電流」と呼ばれる量子力学的機構がはたらくことで巨大な光起電力を得られることが最近発見され、太陽光発電の新原理として大きな注目を集めている。このシフト電流は、様々な素励起過程を介して生じることが期待され、特に空間反転対称性の破れた磁性体では、GHz帯の電磁波を吸収させることで、磁気共鳴(マグノン励起)を介してシフト電流を誘起できることが理論的に予測されている。本研究では、このような磁気共鳴を介したマグノンシフト電流の実験的な観測と、その巨大化に向けた条件探索を行うことで、無線通信で一般的なGHz帯域の電磁波を利用した、新しい環境発電原理の実証を試みたい。

Outline of Final Research Achievements

In this study, we have investigated the magnon shift currents expected in magnetic materials with broken space-reversal symmetry, aiming to experimentally observe them via magnetic resonance in the GHz frequency range. We have selected magnetic insulators Cu2OSeO3 and VOSe2O5 (characterized by the chiral and polar crystal structures, respectively) as the target materials, and their magnetic resonance dynamics were investigated in detail. We have also constructed a measurement system to observe current signals under strong excitation of magnetic resonance, and were able to observe current signals associated with microwave absorption. We will attempt to extract magnon shift current components by analyzing their detailed temperature dependence and current waveforms with theoretical models.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究の対象である空間反転対称性の破れた磁性体は、磁気スキルミオン・らせん磁気構造といった、特殊な幾何学的性質によって特徴付けられたスピン配列を有することが知られている。本研究では、こうした磁気相における複数の固有振動モードの実験的な同定を行い、さらにシミュレーションを通じてその理論的な再現を行うことに成功した。これらは、トポロジカルスピンテクスチャのダイナミクスの統一的な理解に向けた重要なステップであると考えられる。また、マグノンシフト電流は、GHz帯の電磁波を利用した環境発電原理として利用できる可能性が期待され、今後はその確実な分離方法の確立と、効率の向上にも取り組む予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Hochfeld-Magnetlabor Dresden (HLD-EMFL)(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Karlsruhe Institute of Technology/Technische Universitat Munchen(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Paul Scherrer Institute (PSI)/EPFL(スイス)
• [Journal Article] Spontaneous topological Hall effect induced by non-coplanar antiferromagnetic order in intercalated van der Waals materials (2023)
  • Author(s): H. Takagi, R. Takagi, S. Minami, T. Nomoto, K. Ohishi, M.-T. Suzuki, Y. Yanagi, M. Hirayama, N. D. Khanh, K. Karube, H. Saito, D. Hashizume, R. Kiyanagi, Y. Tokura, R. Arita, T. Nakajima, S. Seki
  • Journal Title: Nature Physics Volume: Advance online publications Issue: 7 Pages: 961-968
  • DOI: 10.1038/s41567-023-02017-3
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Nonreciprocal Phonon Propagation in a Metallic Chiral Magnet (2023)
  • Author(s): Nomura T.、Zhang X.-X.、Takagi R.、Karube K.、Kikkawa A.、Taguchi Y.、Tokura Y.、Zherlitsyn S.、Kohama Y.、Seki S.
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 130 Issue: 17 Pages: 176301-176301
  • DOI: 10.1103/physrevlett.130.176301
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Rhombic skyrmion lattice coupled with orthorhombic structural distortion in EuAl4 (2023)
  • Author(s): Gen Masaki、Takagi Rina、Watanabe Yoshito、Kitou Shunsuke、Sagayama Hajime、Matsuyama Naofumi、Kohama Yoshimitsu、Ikeda Akihiko、Onuki Yoshichika、Kurumaji Takashi、Arima Taka-hisa、Seki Shinichiro
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 107 Issue: 2
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.l020410
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Square and rhombic lattices of magnetic skyrmions in a centrosymmetric binary compound (2022)
  • Author(s): R. Takagi, N. Matsuyama, V. Ukleev, L. Yu, J. S. White, S. Francoual, J. R. L. Mardegan, S. Hayami, H. Saito, K. Kaneko, K. Ohishi, Y. Onuki, T. Arima, Y. Tokura, T. Nakajima, S. Seki
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 1472-1472
  • DOI: 10.1038/s41467-022-29131-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Direct visualization of the three-dimensional shape of skyrmion strings in a noncentrosymmetric magnet (2022)
  • Author(s): S. Seki, M. Suzuki, M. Ishibashi, R. Takagi, N. D. Khanh, Y. Shiota, K. Shibata, W. Koshibae, Y. Tokura & T. Ono
  • Journal Title: Nature Materials Volume: 21 Issue: 2 Pages: 181-187
  • DOI: 10.1038/s41563-021-01141-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Zoology of Multiple‐Q Spin Textures in a Centrosymmetric Tetragonal Magnet with Itinerant Electrons (2022)
  • Author(s): Khanh Nguyen Duy、Nakajima Taro、Hayami Satoru、Gao Shang、Yamasaki Yuichi、Sagayama Hajime、Nakao Hironori、Takagi Rina、Motome Yukitoshi、Tokura Yoshinori、Arima Taka‐hisa、Seki Shinichiro
  • Journal Title: Advanced Science Volume: 9 Issue: 10 Pages: 2105452-2105452
  • DOI: 10.1002/advs.202105452
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Hybridized magnon modes in the quenched skyrmion crystal (2021)
  • Author(s): Takagi Rina、Garst Markus、Sahliger Jan、Back Christian H.、Tokura Yoshinori、Seki Shinichiro
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 104 Issue: 14 Pages: 144410-144410
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.144410
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 時間反転対称性の破れた反強磁性体の新物質開拓 (2023)
  • Author(s): 関 真一郎
  • Organizer: 日本磁気学会第86回スピントロニクス専門研究会
  • Invited
• [Presentation] JRR-3を利用した 非共面磁気構造とトポロジカル輸送現象の解明 (2023)
  • Author(s): 関 真一郎
  • Organizer: 日本中性子科学会
  • Invited
• [Presentation] 極性スキルミオン物質VOSe2O5における磁気共鳴モードの観測 (2022)
  • Author(s): 荒木那巨, 車地崇, 十倉好紀, 高木里奈, 関真一郎
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] Novel materials with magnetic skyrmions and their three-dimensional dynamics (2022)
  • Author(s): S. Seki
  • Organizer: Workshop on Topology in Magnetic Materials
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Direct Visualization of the Three-dimensional Shape of Skyrmion Strings (2022)
  • Author(s): S. Seki
  • Organizer: Materials Research Society (MRS) Spring Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 異常ホール反強磁性体CoM3S6(M=Nb,Ta)の偏極中性子散乱による磁気構造解析 (2022)
  • Author(s): 高木寛貴, 高木里奈, 齋藤開, Nguyen Duy Khanh, 大石一城, 鬼柳亮嗣, 野本拓也, 見波将, 鈴木通人, 柳有起, 平山元昭, 軽部皓介, 橋爪大輔, 十倉好紀, 有田亮太郎, 中島多朗, 関真一郎
  • Organizer: 日本物理学会 2022年年次大会
• [Presentation] 磁気スキルミオンの物質設計と３次元ダイナミクス (2022)
  • Author(s): 関真一郎
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] カイラル反強磁性体CoNb3S6の異常ホール効果の磁気光学分光 (2021)
  • Author(s): 岡村嘉大, 林悠大, カーンヌイェン, 関真一郎, 十倉好紀, 高橋陽太郎
  • Organizer: 日本物理学会 2022年年次大会
• [Presentation] 磁気スキルミオンストリングの３次元形状の観察 (2021)
  • Author(s): 関真一郎, 鈴木基寛, 石橋未央, 高木里奈, Nguyen Duy Khanh, 塩田陽一, 柴田基洋, 小椎八重航, 十倉好紀, 小野輝男
  • Organizer: 日本物理学会 2022年年次大会