スピン流伝播に関する直接計測法の開発とその学理の総合的発展

• Project/Area Number: 23K21105
• Project/Area Number (Other): 21H01906 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 32020:Functional solid state chemistry-related
• Research Institution: Osaka Metropolitan University (2022-2024); Osaka City University (2021)
• Principal Investigator: 鐘本 勝一 大阪公立大学, 大学院理学研究科, 教授 (40336756)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2024: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2021: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000)
• Keywords: スピンホール効果 / 強磁性共鳴 / スピン流 / 二重共鳴 / 逆スピンホール効果 / 有機半導体

Outline of Research at the Start

スピン偏極状態の流れを意味するスピン流は、電荷の流れを伴わずスピン励起エネルギーを伝播できるため注目されている。本研究では、スピン流の生成励起と発生スピン流のプローブを分離させた独自の二重磁気共鳴計測法を磁性/非磁性積層素子に適用し、スピン流伝播の直接観測の実現を目指す。特に、アンテナプローブを使った高感度なスピン流計測系を開発し、適用する。さらにスピン緩和時間が実測できる有機導体を非磁性層に適用し、スピン流の伝播ロス箇所の透明化を目指す。これらの結果を総合することで、スピン流伝播の学理を総合的に発展させる。

Outline of Annual Research Achievements

この年度は、二重共鳴の設備が十分に稼働できず、応答が観測できなかったため、スピンホール効果を経由したスピン流の直接観測を目指す実験に取り組んだ。その実験では、常磁性（非磁性）金属から電流を流し、磁性金属にスピン流が流れた証拠を強磁性共鳴（FMR）から観測することを目指した。その電流を観測できる素子系をデザインし、実際に電流印加に伴われるスピン流があれば、観測できる系を構築できた。実際には、電流を流すことで磁性金属の温度が上昇し、それがFMR信号の変化を引き起こす。そのためその効果を取り除くために高周波での電流注入実験の系を構築し、10kHz以上では温度上昇の効果が完全に無視できることがわかった。その条件のもと、非磁性層に電流が流れると、積層した磁性層のFMR信号が変化することを確認した。その信号は、主としてわずかなピークシフトであることがわかった。その原因について考察した結果、元々FMRのピーク位置は磁性層の飽和磁化に依存する。そのため、この結果は、磁化の変化に由来すると結論した。元来スピン流が到達した効果として、スピン流が運ぶ磁気モーメントが移動するはずである。このことから、このFMR信号はまさにスピン流の到達を意味することがわかった。重要な点は、ピークシフト値は磁化の変化量を定量的に与える。つまりこのピークシフトからスピン流の到達量が計算できる。これまでスピン流の到達量を定量的に評価する方法は報告されていない。そのため新しい成果である。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Power-Dependent Characteristics of Spin Current Transfer in Metal Bilayer Devices under High-Power Pulse Excitation (2022)
  • Author(s): Kenta Nakahashi, Kohei Takaishi, Takayuki Suzuki, Katsuichi Kanemoto
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 14 Issue: 18 Pages: 21217-21223
  • DOI: 10.1021/acsami.2c03418
  • URL: https://ocu-omu.repo.nii.ac.jp/records/2019585
  • Peer Reviewed
• [Presentation] FMRを用いた熱誘起スピン流の直接観測法の構築 (2023)
  • Author(s): 坂巻亜佳子（鐘本グループ）
  • Organizer: 2023年度 分子エレクトロニックデバイス研究所 （RIMED第25回研究会）
• [Presentation] オペランドESRによる電気化学発光セルのデバイス内部状態の観測 (2023)
  • Author(s): 堤 晴香、鐘本 勝一
  • Organizer: 2023年 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 有機導電性層を利用したスピン流発生過程の検証 (2022)
  • Author(s): 鐘本勝一, 髙石晃平，鈴木貴之
  • Organizer: 第61回電子スピンサイエンス学会年会（SEST2022）
• [Presentation] 光学検出及び電流検出による電気化学発光セルへのオペランド ESR (2022)
  • Author(s): 堤 晴香、鐘本 勝一
  • Organizer: 第61回電子スピンサイエンス学会年会（SEST2022）
• [Presentation] 磁気共鳴による強磁性金属/有機導体界面相互作用の検証 (2021)
  • Author(s): 髙石晃平, 鐘本勝一, 鈴木貴之
  • Organizer: 日本物理学会・2021年秋季大会
• [Presentation] Quantifying Power Flow Processes Mediated by Spin Currents in Metal Bilayer Devices (2021)
  • Author(s): Katsuichi Kanemoto
  • Organizer: ISMAR APNMR NMRSJ SEST 2021
  • Int'l Joint Research