Theoretical study for thermal generation of new spin currents

• Project Area: nano spin conversion science
• Project/Area Number: 17H05174
• 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: Ibaraki University
• Principal Investigator: 佐藤 正寛 茨城大学, 理工学研究科(理学野), 准教授 (90425570)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2018: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2017: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: スピントロニクス / スピンゼーベック効果 / スピン流 / スピンネマティック / マグノンペア / トポロジカル光波 / シフトカレント / フロケ理論 / 非平衡定常状態 / 熱伝導・輸送現象 / フロケ・エンジニアリング / 光渦 / 磁気光学 / 熱磁気効果 / 熱ホール効果 / キタエフスピン液体 / スピン液体 / マグノン / 非平衡輸送現象

Outline of Annual Research Achievements

最終年度である2018年度は、主に(1)フラストレート磁性体におけるスピンネマティック液体相におけるスピンゼーベック効果の実験グループとの共同研究、(2)トポロジカル光波の一種であるベクトルビームの磁性への応用、(3)フロケ理論の環境と結合する古典系への拡張、(4)新しい光誘起スピン流生成法(スピン流版太陽電池)の提案、(5)DC(または低周波数)強電場による磁性体の交換相互作用の制御方法の提案、などの研究に注力した。

2018年度内に論文として出版または受理されたのは、(2)(4)の成果であるが、それ以外の成果もすべて論文としてまとめ、現在投稿中であり、研究はほぼ順調に進展したと言える。

以下では、特に本研究課題の中心的成果とも呼べる(1)の内容について解説する。LiCuVO4はフラストレートした擬1次元S=1/2強磁性鎖物質群の代表例であり、磁気秩序相が現れる転移温度(2-3K)より高温側で低磁場(～5T)から飽和磁場近傍(～40T)までスピンネマティック液体相が現れることが知られている。この領域では、マグノンがペアを組んでgaplessとなり、一方で単一マグノンはgapを持つ。このマグノンとマグノンペアの混合液体といえるネマティック液体相のスピントロニクス特性を調べる為、LiCuVO4と常磁性金属Ptを接合した系に温度勾配を印加しスピン流を生成するスピンゼーベック効果の実験を行った。その結果、得られるスピンゼーベック電圧が温度磁場の関数として非単調なピークを持つことが分かった。我々は非平衡グリーン関数法に基づいてスピン流を微視的に計算し、このピーク構造がマグノンペアとマグノンの特性によって生じていることを明らかにした。これらの実験と理論は、スピンネマティック液体相がこれまでスピントロニクスで研究されてきた多くの磁気秩序相とは全く異なる新しい輸送特性を持つことを示している。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] トポロジカル光波による固体物性制御 (2019)
  • Author(s): 佐藤正寛
  • Journal Title: パリティ Volume: 34 Pages: 54-57
  • NAID: 40021815597
• [Journal Article] Rectification of Spin Current in Inversion-Asymmetric Magnets with Linearly Polarized Electromagnetic Waves (2019)
  • Author(s): Ishizuka Hiroaki、Sato Masahiro
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 122 Issue: 19 Pages: 197702-197702
  • DOI: 10.1103/physrevlett.122.197702
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nonequilibrium Magnetic Oscillation with Cylindrical Vector Beams (2018)
  • Author(s): Fujita Hiroyuki、Sato Masahiro
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41598-018-33651-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 光渦レーザーによる超高速ナノスピン構造制御 (2018)
  • Author(s): 佐藤正寛、藤田浩之
  • Journal Title: 光学 Volume: 第47巻 Pages: 162-164
• [Journal Article] 光渦レーザーによる磁性制御の展望 (2018)
  • Author(s): 藤田浩之、佐藤正寛
  • Journal Title: 固体物理 Volume: 通巻631号 Pages: 457-471
  • NAID: 40021680176
• [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] Encoding orbital angular momentum of light in magnets (2017)
  • Author(s): Fujita Hiroyuki、Sato Masahiro
  • Journal Title: Physical Review B Rapid Communication Volume: 96 Issue: 6 Pages: 060407-060407
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.060407
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Theory of electron spin resonance in one-dimensional topological insulators with spin-orbit couplings: Detection of edge states (2017)
  • Author(s): Yao Yuan、Sato Masahiro、Nakamura Tetsuya、Furukawa Nobuo、Oshikawa Masaki
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 96 Issue: 20 Pages: 205424-205424
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.205424
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] トポロジカル光波とテラヘルツレーザーによる高速スピン制御法の提案 (2019)
  • Author(s): 佐藤正寛
  • Organizer: KEK研究会「量子多体系の素核・物性クロスオーバー」
  • Invited
• [Presentation] 物質中の周期外場駆動現象に対する理論研究の進展 (2018)
  • Author(s): 佐藤正寛
  • Organizer: 非平衡系の物理学－階層性と普遍性－(基研研究会・iTHEMS研究会 2018)
  • Invited
• [Presentation] カイラル磁性体における光駆動高速磁性制御法の提案 -フロケ・エンジニアリング、トポロジカル光波、高速スピン流- (2018)
  • Author(s): 佐藤正寛
  • Organizer: 物性研究所短期研究会「量子多体効果が生み出す液晶的電子状態」
  • Invited
• [Presentation] Ultrafast Spintronics with Topological Lasers (2018)
  • Author(s): Masahiro Sato
  • Organizer: Spin Mechanics 5 and Nano MRI 6 workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] レーザー駆動超高速スピントロニクスに向けた理論研究 (2018)
  • Author(s): 佐藤正寛
  • Organizer: 第147回微小光研究会
  • Invited
• [Presentation] Thermal and spin currents driven by spinons,Majorana fermions and multiple-magnon molecules (2017)
  • Author(s): Masahiro Sato
  • Organizer: 1st Asia Pacific Workshop on Quantum Magnetism (APWQM) 2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Theory of thermal transport phenomena driven by spinons,Majorana fermions, and magnon bound states (2017)
  • Author(s): Masahiro Sato
  • Organizer: Trends in Theory of Correlated Materials (TTCM2017)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 光でスピンを操る方法の理論提案～光でスピンをひねる＆光をスピンに転写する～ (2017)
  • Author(s): 佐藤正寛
  • Organizer: 東大物性研短期研究会「光で見る・操る 電子物性科学の最前線」
  • Invited
• [Presentation] 光渦レーザーによる磁性体ナノ構造の超高速制御法についての理論的提案 (2017)
  • Author(s): 佐藤正寛
  • Organizer: 第88回レーザー加工学会講演会
  • Invited
• [Presentation] 光渦レーザーによる超高速電子物性制御の可能性について (2017)
  • Author(s): 佐藤正寛
  • Organizer: マグノニック結晶討論会
  • Invited
• [Remarks] 茨城大学佐藤研究室
  • URL: http://sugar.sci.ibaraki.ac.jp/index.html