Demonstration of spintronic terahertz emission from Rashba- and exchange-split graphene and elucidation of its mechanism

• Project/Area Number: 22K04924
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
• Research Institution: University of Fukui
• Principal Investigator: エスカニョ MC 福井大学, 遠赤外領域開発研究センター, 准教授 (80714005)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): QuangT Nguyen 信州大学, 先鋭領域融合研究群先鋭材料研究所, 特任助教 (80722181) ; 谷 正彦 福井大学, 遠赤外領域開発研究センター, 教授 (00346181)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: スピントロニクス / テラヘルツ / ラシュバ効果 / G/Ni / 電子ビーム蒸着 / 第一原理計算法 / spintronics / terahertz / graphene/Ni / first-principles methods / THz-TDS

Outline of Research at the Start

電磁スペクトルのマイクロ波領域と赤外線領域の間にあるテラヘルツ（THz）放射は、多くの体系の励起と一致するため、低エネルギー分光法、生物医学イメージング、セキュリティなどに適している。ただし、高効率的なTHz波発生源がないため、一般的なTHzギャップ（約0.1-10THz）がある。近年、ナノメートルの厚さが持つ強磁性/非磁性ヘテロ構造（FM / NM）からTHz波発生が観察されているが、NMが貴金属である。本研究は、貴金属がないグラフェンとNi（G / Ni）の構造から、THz放射を検証したG/Niの逆ラシュバアイデルスタインという効果（IREE）により理論的と実験的方法で実証することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では貴金属ないスピントロニクステラヘルツエミッターを開発することを目的としている。2022年度としては、Ni上のグラフェン（G/Ni）のスピン輸送を理論手法によって調べ、実験的にG/Niの試料を作製することを目指した。 理論的には、密度汎関数理論とスピン軌道結合 (DFT+SOC) という定式化されたモデルを用いて、ラシュバ係数とその結果のスピン-電荷変換係数の計算に成功した。 実験的に、G/Ni 試料は、電子ビーム蒸着を用いてSiC 基板上に作成することができた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究成果の概要で述べたように、2022 年度の研究目標は、理論的アプローチによる G/Ni のスピン輸送 （特にスピン-電荷変換メカニズム)）の研究であり、 実験的な方法によるそのG/Niの試料の作製は計画どおりに達成された。

Strategy for Future Research Activity

2023 年度に向けて、実験的に、G/Ni試料はX 線回折 (XRD)、X 線光電子分光法 (XPS) などを用いて特徴付けられる予定である。理論的にスピン輸送 （スピン電流）を ab-initio 法（つまり、タイトバインディング法)）によって計算する。これらの2つの実験的および理論的研究は、2023 年度のTHz放射（計算及び測定）の前提研究である。

Research Products

• [Journal Article] Direct Identification of Bulk Defects in Low-temperature GaAs Using First-principles STM Simulation for Efficient Terahertz Device Development (2023)
  • Author(s): Escano Mary Clare, Nguyen Tien Quang, Izumi Akihiro, Tani Masahiko
  • Journal Title: Vacuum and Surface Science Volume: 66 Issue: 1 Pages: 4-9
  • DOI: 10.1380/vss.66.4
  • ISSN: 2433-5835, 2433-5843
  • Year and Date: 2023-01-10
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Probing Strain and Doping along a Graphene Wrinkle Using Tip-Enhanced Raman Spectroscopy (2023)
  • Author(s): Balois-Oguchi Maria Vanessa, Hayazawa Norihiko, Yasuda Satoshi, Ikeda Katsuyoshi, Nguyen Tien Quan, Escano Mary Clare, Tanaka Takuo
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 127 Issue: 12 Pages: 5982-5990
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.2c08529
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Optimum excitation wavelength and photon energy threshold for spintronic terahertz emission from Fe/Pt bilayer (2022)
  • Author(s): Mag-usara Valynn Katrine, Escano Mary Clare, Petoukhoff Christopher E., Torosyan Garik, Scheuer Laura, Madeo Julien, Afalla Jessica, Talara Miezel L., Muldera Joselito E., Kitahara Hideaki, Bacon David R., Nakajima Makoto, Dani Keshav, Papaioannou Evangelos Th., Beigang Rene, Tani Masahiko
  • Journal Title: iScience Volume: 25 Issue: 7 Pages: 104615-104615
  • DOI: 10.1016/j.isci.2022.104615
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Impact of various spintronic antenna structures driven by a 795 nm pump beam to terahertz (THz) wave generation (2022)
  • Author(s): Talara Miezel, Bulgarevich Dmitry S., Kobayashi Kana, Kitahara Hideaki, Furuya Takashi, Escano Mary Clare, Watanabe Makoto, Tani Masahiko
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 15 Issue: 12 Pages: 122002-122002
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac99b5
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] LT-GaAs基板光伝導アンテナのサブバンドギャップ励起テラヘルツ波発生・検出特性 (2023)
  • Author(s): 谷 正彦，友永 景介，北原 英明， 古屋 岳，泉 明宏，Mary Clare Escano
  • Organizer: レーザー学会 第43回年次講演会
• [Presentation] Towards Materials Discovery using Universal Neural Network Potential and Ab-Initio Calculations (2023)
  • Author(s): Tien Quang Nguyen, Yusuke Nanba, Michihisa Koyama, Mary Clare Escano, Masahiko Tani
  • Organizer: PCoMS Symposium & Annual Meeting of Supercomputing Consortium for Computational Materials Science 2022
• [Presentation] Terahertz Wave Generation Performances of Spintronic Sources with Rectangular and Diabolo Antenna Structures (2023)
  • Author(s): M. Talara, D. S. Bulgarevich, K. Kobayashi, H. Kitahara, T. Furuya, M. C. Escano, M. Watanabe and M. Tani
  • Organizer: pLED International Symposium 2023: Exploring Invisible Light Technology
• [Presentation] As-interstitial Defect for Sub-band Gap Excitation in Low-temperature GaAs Revealed by First-principles Calculations (2023)
  • Author(s): Mary Clare Escano, Dhonny Bacuyag, Tien Quang Nguyen, Akihiro Izumi, Melanie David, Hideaki Kitahara, Takashi Takuya, Masahiko Tani
  • Organizer: pLED International Symposium 2023: Exploring Invisible Light Technology
• [Presentation] スピントロニック放射器が放出するテラヘルツ波の交流磁場バイアスを用いた検出効率改善 (2023)
  • Author(s): 北原 英明，石井 克幸，タララ ミゼル，古屋 岳，エスカノ メアリークレア，谷 正彦，ブルガレビッチ ドミトリ，へ ドンフェン，渡邊 誠
  • Organizer: 2023年第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Structural and electronic origin of spin-dependent interface resistance in spintronic Fe/Pt THz emitter by first-principles calculations (2022)
  • Author(s): Mary Clare Escano, Tien Quang Nguyen, Valynn Katrine Mag-usara, Miezel Talara and Masahiko Tani
  • Organizer: 2022 47th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Accelerating Materials Discovery using Universal Neural Network Potential and Ab-initio Calculations (2022)
  • Author(s): Tien Quang Nguyen, Yusuke Nanba, Michihisa Koyama, Mary Clare Escano, Masahiko Tani
  • Organizer: 6th International Symposium on Frontiers in Materials Science
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Direct probing and identification of the origin of two-step photon absorption in low-temperature GaAs by first-principles spin-orbit calculations and STM/STS measurements. (2022)
  • Author(s): Mary Clare Escano, Maria Herminia Balgos, Tien Quang Nguyen, Elizabeth Ann Prieto, Elmer Estacio, Arnel Salvador, Armando Somintac, Rafael Jaculbia, Norihiko Hayazawa, Yousoo Kim, Masahiko Tani
  • Organizer: The 22nd International Vacuum Congress (IVC-22)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sub-bandgap Excitation Properties of LT-GaAs-based Photoconductive Antennas for Terahertz Pulse Emission and Detection (2022)
  • Author(s): Masahiko Tani, Hideaki Kitahara, Takashi Furuya, and Mary Clare Escano
  • Organizer: 40th Samahang Pisika ng Pilipinas (SPP) Physics Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Improvement of Terahertz (THz) Wave Emission Efficiency of Fe/Pt Spintronic Bilayers by Using Diabolo and Rectangular Antenna Structures (2022)
  • Author(s): Miezel Talara, Dmitry S. Bulgarevich, Kana Kobayasi, Hideaki Kitahara, Takashi Furuya, Mary Clare Escano, Makoto Watanabe and Masahiko Tani
  • Organizer: 40th Samahang Pisika ng Pilipinas (SPP) Physics Conference
• [Presentation] Direct Identification of Point Defects in Low-Temperature-Grown GaAs by STM/STS measurements and DFT Calculations for THz Device Application (2022)
  • Author(s): Akihiro Izumi, Mary Clare Escano, Maria Herminia Balgos, Tien Quang Nguyen, Elizabeth Ann Prieto, Elmer Estacio, Arnel Salvador, Armando Somintac, Rafael Jaculbia, Takahashi Furuya, Hideaki Kitahara, Norihiko Hayazawa, Yousoo Kim, Masahiko Tani
  • Organizer: 40th Samahang Pisika ng Pilipinas (SPP) Physics Conference
• [Presentation] Direct probing and identification of the origin of two-step photon absorption in low-temperature GaAs by first-principles spin-orbit calculations and STM/STS measurements. (2022)
  • Author(s): Mary Clare Sison Escano, Maria Herminia Balgos, Tien Quang Nguyen, Elizabeth Ann Prieto, Elmer Estacio, Arnel Salvador, Armando Somintac, Rafael Jaculbia, Norihiko Hayazawa, Yousoo Kim, Masahiko Tani
  • Organizer: The Third International Symposium on Frontiers in THz technology
• [Presentation] Terahertz Emission Amplitude Enhancement using Diabolo and Rectangular Spintronic Antennas (2022)
  • Author(s): Miezel Talara, Dmitry S. Bulgarevich, Kana Kobayashi, Hideaki Kitahara, Takashi Furuya, Mary Clare Escano, Makoto Watanabe and Masahiko Tani
  • Organizer: The Third International Symposium on Frontiers in THz technology
• [Presentation] Terahertz Wave Generation Comparison of Diabolo and Rectangular Spintronic Antennas Excited by a 795-nm Laser Beam (2022)
  • Author(s): Miezel Talara, Dmitry S. Bulgarevich, Kana Kobayashi, Hideaki Kitahara, Takashi Furuya, Mary Clare Escano, Makoto Watanabe and Masahiko Tani: “Terahertz Wave Generation Comparison of Diabolo and Rectangular Spintronic Antennas Excited by a 795-nm Laser Beam
  • Organizer: The 12th Asian Conference on Ultrafast Phenomena (ACUP2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 金属スピントロニック素子による高効率テラヘルツ波発生の研究(Study on high-efficiency terahertz wave generation by metallic spintronic devices)」 (2022)
  • Author(s): 谷 正彦，中嶋 誠，北原 英明，古屋 岳，タララ ミゼル，マグウサラ ヴァリン，エスカニョ メアリクレア, ムールデラ ホセリート，郭 其新
  • Organizer: 2022年 光・量ビーム科学合同シンポジウム（OPTO2022）
• [Presentation] Ni/Graphene膜からのInverse Rashba-Edelstein効果によるテラヘルツ波発生 (2022)
  • Author(s): 石井克幸，Miezel Talara， Mary Clare Escano，Joel Tacla Asubar, 道幸雄真，橋本明弘，北原英明，Tien Quang Nguyen， 谷正彦
  • Organizer: 第26回 （2022年）福井セミナー
• [Presentation] THzデバイス応用に向けたSTM測定とDFT計算によるLT-GaAsの点欠陥の直接同定 (2022)
  • Author(s): 泉明宏, Mary Clare Escano, Maria Herminia Balgos, Rafael Jaculbia, 早澤 紀彦, Yousoo Kim, 谷正彦
  • Organizer: 第26回 （2022年）福井セミナー
• [Presentation] Origin of spin-dependent interface resistance in spintronic Fe/Pt THz emitter by first-principles calculations (2022)
  • Author(s): Mary Clare Sison Escano, Tien Quang Nguyen, Valynn Katrine Mag-usara, Miezel Talara and Masahiko Tani
  • Organizer: 2022年日本物理学会秋季大会
• [Presentation] Terahertz Wave Emission from Fe/Pt Spintronic Bilayer with Diabolo and Rectangular Antenna Structures (2022)
  • Author(s): Miezel Legurpa Talara, Dmitry Bulgarevich, Kana Kobayashi, Hideaki Kitahara, Takashi Furuya, Mary Clare Escano, Makoto Watanabe, Masahiko Tani
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 磁場変調による金属スピントロニック素子からのテラヘルツ波放射測定 (2022)
  • Author(s): 石井克幸, M. Talara, M.C. Escano, 北原秀明, 谷正彦, D. Bulgarevich, 渡邊誠
  • Organizer: 05，2022年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
• [Remarks] 科研費による成果
  • URL: http://fir.u-fukui.ac.jp/~clare/JSPS.html