Inverse spin Hall effect induced by spin injection into topological superconductors

• Project Area: Frontiers of materials science spun from topology
• Project/Area Number: 16H00977
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: The University of Tokyo (2017); Tohoku University (2016)
• Principal Investigator: 塩見 雄毅 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任講師 (10633969)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2017: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2016: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: 超伝導 / トポロジー / スピン流 / スピントロニクス / ボルテックス / スピンエレクトロニクス / 物性実験 / 低温物性 / 超伝導材料・素子

Outline of Annual Research Achievements

今年度は、昨年度に確立した試料作製技術や測定技術を用いて、トポロジカル超伝導体へのスピン流注入を達成することを目標にして幾つかの実験に取り組んだ。まず第一に、昨年度から取り組んできた、ｓ波超伝導体/磁性絶縁体接合試料に対する熱的スピン流注入の実験について、超伝導転移点直下でコヒーレンス因子によるスピン流-電流変換効果の増大を観測した（論文投稿中）。これは最近報告された理論提案とも整合する結果であり、超伝導スピンカロリトロニクスにおける新しい成果として注目を集めることが期待される。
次に、ｄ波超伝導体である銅酸化物YBCOとフェリ磁性絶縁体LiFe5O8の接合系において、非自明な超伝導ボルテックスネルンスト効果を観測した（出版済み）。磁気界面の影響で、ネルンスト電圧が磁場に対して振動的な振る舞いを示すことを特徴とし、トポロジカルな性質を有する超伝導ボルテックスと磁性が関係した新しい熱輸送現象である。
さらに、ｐ波超伝導体の有望な系として、本新学術領域のメンバーからの試料提供により準備した幾つかの空間反転の破れた原子層超伝導体に対してスピン注入実験を行った。まず、室温の常伝導状態でスピン流注入によるスピン流-電流変換効果を測定したところ、明瞭な信号が得られた（論文準備中）。この結果はこれらの原子層物質で効率的なスピン流-電流変換が可能なことを意味する。一方で、これらの試料で温度を下げて抵抗率を測定したところ、報告された超伝導転移点では超伝導を示さないことがわかった。超伝導転移が消失した原因として金属膜をつけたことによるバンド変調が疑われる。今後は、上記実験と並行して試料作製条件を検討してきた空間反転対称性を人工的に破った超伝導体試料に対して引き続きスピン注入実験研究を行う予定である。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Cologne(Germany)
• [Journal Article] Magnetic thermal conductivity far above the N?el temperature in the Kitaev-magnet candidate α?RuCl3 (2017)
  • Author(s): Hirobe Daichi、Sato Masahiro、Shiomi Yuki、Tanaka Hidekazu、Saitoh Eiji
  • Journal Title: Physical Review B Rapid Communication Volume: 95 Issue: 24 Pages: 241112-241112
  • DOI: 10.1103/physrevb.95.241112
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Oscillatory Nernst effect in Pt|ferrite|cuprate-superconductor trilayer films (2017)
  • Author(s): Y. Shiomi, J. Lustikova, and E. Saitoh
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 7 Issue: 1 Pages: 5358-5358
  • DOI: 10.1038/s41598-017-05747-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Experimental evidence consistent with a magnon Nernst effect in the antiferromagnetic insulator MnPS 3 (2017)
  • Author(s): Y. Shiomi, R. Takashima, and E. Saitoh
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 96 Issue: 13 Pages: 134425-134425
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.134425
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spin Seebeck effect in the polar antiferromagnet α-Cu2V2O7 (2017)
  • Author(s): Y. Shiomi, R. Takashima, D. Okuyama, G. Gitgeatpong, P. Piyawongwatthana, K. Matan, T. J. Sato, E. Saitoh
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 96 Issue: 18 Pages: 180414-180414
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.180414
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Linear magnetoresistance in a topological insulator Ru2Sn3 (2017)
  • Author(s): Y. Shiomi and E. Saitoh
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 7 Issue: 3 Pages: 035011-035011
  • DOI: 10.1063/1.4978773
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Universal scaling for the spin-electricity conversion on surface states of topological insulators (2016)
  • Author(s): K. T. Yamamoto, Y. Shiomi, Kouji Segawa, Yoichi Ando, and E. Saitoh
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 94 Issue: 2 Pages: 024404-024404
  • DOI: 10.1103/physrevb.94.024404
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Thermal Generation of Spin Current in Zigzag-Chain Antiferromagnets (2018)
  • Author(s): Y. Shiomi
  • Organizer: Reimei/GP-Spin/ICC-IMR International Workshop "New Excitations in Spintronics"
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Spin-charge conversion induced by spin pumping into topological materials (2018)
  • Author(s): Y. Shiomi
  • Organizer: APS March Meeting 2018
  • Invited
• [Presentation] Spin-charge interconversion on topological materials (2017)
  • Author(s): Y. Shiomi
  • Organizer: International Workshop "TOP-SPIN 3: Spin and Topological Phenomena in Nanostructures - Towards Topological Materials Science"
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Spin-charge conversion on 2D topological materials (2017)
  • Author(s): Y. Shiomi
  • Organizer: The Collaborative Conference on Spin Dynamics
  • Invited
• [Presentation] Spin-charge interconversion in topological materials (2017)
  • Author(s): Y. Shiomi
  • Organizer: The Collaborative Conference on Materials Research (CCMR) 2017
  • Invited
• [Presentation] Spin-charge conversion on 2D topological materials (2017)
  • Author(s): Y. Shiomi
  • Organizer: BIT’s 7th Annual World Congress of Nano Science & Technology-2017
  • Invited
• [Presentation] Spin-to-charge conversion induced by spin injection into topological insulator (2016)
  • Author(s): Y. Shiomi
  • Organizer: International Symposium on Revolutionary Atomic-Layer Materials
  • Place of Presentation: Katahira campus, Tohoku University, Japa
  • Year and Date: 2016-10-21
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] はじめに (2016)
  • Author(s): Y. Shiomi
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-13
  • Invited
• [Presentation] Spin-to-charge conversion induced by spin injection into topological insulators (2016)
  • Author(s): Y. Shiomi
  • Organizer: SPIE Nanoscience+Engineering Conference
  • Place of Presentation: San Diego Convention Center, San Diego, USA
  • Year and Date: 2016-08-28
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Spin-Electricity Conversion Induced by Spin Injection into Topological Insulators (2016)
  • Author(s): Y. Shiomi
  • Organizer: Topological Spintronic Devices and Beyond workshop
  • Place of Presentation: University of Minnesota, Minneapolis, USA
  • Year and Date: 2016-05-12
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] トポロジカル絶縁体のスピン物性とスピントロニクス応用 (2016)
  • Author(s): Y. Shiomi
  • Organizer: 応用物理学会 応用電子物性分科会・スピントロニクス研究会 11月共催研究会 「スピントロニクス材料の新展開」
  • Place of Presentation: 首都大学東京 秋葉原サテライトキャンパス
  • Int'l Joint Research / Invited