| Project/Area Number |
22KJ0856
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| Project/Area Number (Other) |
22J12348 (2022)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2023)
Single-year Grants (2022) |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
鈴木 裕太 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC2)
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| Project Period (FY) |
2023-03-08 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥1,700,000 (Direct Cost: ¥1,700,000)
Fiscal Year 2023: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2022: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
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| Keywords | スピントロニクス / カイラリティ / カイラル物質 / エーデルシュタイン効果 / スピン電荷変換 / 界面 / 逆エーデルシュタイン効果 / ボルツマン輸送方程式 / スピン緩和時間 / スピン拡散長 / オンサーガーの相反定理 / カイラル誘起スピン選択性 |
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| Outline of Research at the Start |
もとの像とその鏡像とが重ね合わせられないものをカイラルという。カイラルな非磁性体では、ほかの対称性ではみられない非平衡下での電子のスピン偏極が知られているが、その機構について統一的な理解は得られていない。本研究では、スピン軌道結合を反映した輸送方程式の立場から、カイラルな結晶でのスピン拡散長および電流誘起スピン磁化の基本的な性質を明らかにする。これにより、実験的に報告されたカイラルな結晶での長距離スピン輸送現象の解明を目指す。さらに実験への応用を見据え、カイラルな非磁性体と金属・磁性体との接合系でのスピン注入および電荷・スピン変換の理論を開拓する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
電子のもつスピン角運動量の固体中での拡散・生成は盛んに研究されており、その対象は元の形とその鏡像が重なり合わないカイラルな立体構造をもつ物質にまで広がりをみせている。特に、一部のカイラルな金属において、局所的な電流によって長距離にわたりスピン偏極の生じる非局所応答が見つかり、その機構に関心が集まっている。そこで、このようなマクロスケールでのスピン拡散現象、およびその検出に利用された界面でのスピン電荷変換の両者を扱うことのできる理論的枠組みが望まれていた。
本研究では、緩和時間近似を超えたボルツマン方程式の立場から同現象の定式化を進めた。昨年度までに、固体電子のスピン自由度と運動量自由度との結合項（スピン軌道結合）の表式がカイラルな結晶と類似した2次元模型に対して次の(A)・(B)の成果を得た。
(A) 平衡状態への緩和・拡散の解析：ボルツマン方程式の衝突積分からスピン輸送に関わる遅い減衰モードを取り出し、強いスピン軌道結合下でも有効なスピン緩和時間・スピン拡散長の定義を与えることに成功した。
(B) 界面での電流とスピンの間の相互変換（エーデルシュタイン効果）の解析：非磁性金属との接合界面におけるスピン輸送を境界条件のもと解析的に記述し、界面でのエーデルシュタイン効果に対するオンサーガーの相反定理を初めて明らかにした。
本年度は前年度に引き続き、カイラルな金属内部および界面におけるスピン輸送現象の理論研究を行った。特に研究成果の発表に力を入れ、国際会議における招待講演を行った。また当初の計画以上に進展した内容として、電子スピンの界面輸送の類推である、フォノン角運動量の界面輸送の研究にも着手できた。
本研究の成果は、その手法により非一様・非定常な系のスピン緩和時間・拡散長が簡潔に記述できる利点がある上、スピン電荷変換の効率を上げる設計指針・実験解析に応用できる点で意義深い。
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