Spin-charge conversion with novel selection rules in chiral materials

• Project Area: nano spin conversion science
• Project/Area Number: 17H05186
• 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 (2018); Institute of Physical and Chemical Research (2017)
• Principal Investigator: 関 真一郎 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (70598599)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥11,440,000 (Direct Cost: ¥8,800,000、Indirect Cost: ¥2,640,000); Fiscal Year 2018: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2017: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
• Keywords: スピントロニクス / スピン流 / Edelsten効果 / キラリティ / スピン分裂 / Edelstein効果 / 物性実験

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、キラルな結晶構造を伴う金属・半導体材料におけるWeyl型と呼ばれる対称性のスピン分裂を利用した、新しい選択則のスピン・電流相関現象の開拓を目指している。昨年度は、キラル半導体であるテルル単結晶における電流誘起磁化を、磁気光学カー効果の測定を通じて検出することに成功した。２年目にあたる本年度は、こうしたWeyl型のスピン分裂による影響を、電気的な手法を用いて検出することを目指した。
特に重点を置いて取り組んだのが、電流の非相反伝導現象（磁気カイラル効果）の観測である。具体的には、キラル構造を持つ反強磁性体の単結晶を育成し、微細加工を通じて大きな電流密度を加えることが可能な抵抗率測定用デバイスを作成した結果、外部磁場に対して平行・反平行に流れる電流が異なる電気伝導率を示すこと、また外部磁場によって反強磁性構造（弱強磁性を伴う）の秩序変数を反転することで、この非相反性の符号を反転できることを発見した。
これらの振る舞いは、磁性と結晶キラリティの共存から期待される対称性とよく一致しており、観測された非相反な電気伝導は、Weyl型のスピン分裂と局在スピンの間の相関関係を考えることで理解することが可能である。上記の結果は、観測を目指していたキラルな対称性に由来した新しい選択則のスピン・電流相関現象の電気的な検出に成功したことを意味しており、今後は上述の成果を基盤として、理論的な発現が期待される様々なスピン・電流変換現象の開拓を行っていきたい。

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

• [Int'l Joint Research] Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf/TU-Dresden/University of Augsburg(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] University College London/Imperial College London(英国)
• [Int'l Joint Research] Budapest University of Technology(ハンガリー)
• [Int'l Joint Research] EPFL(スイス)
• [Journal Article] Phonon Magnetochiral Effect (2019)
  • Author(s): T. Nomura, X.-X. Zhang, S. Zherlitsyn, J. Wosnitza, Y. Tokura, N. Nagaosa, S. Seki
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 122 Issue: 14 Pages: 145901-145901
  • DOI: 10.1103/physrevlett.122.145901
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Magnon-photon coupling in the noncollinear magnetic insulator Cu 2 OSeO 3 (2019)
  • Author(s): L. V. Abdurakhimov, S. Khan, N. A. Panjwani, J. D. Breeze, M. Mochizuki, S. Seki, Y. Tokura, J. J. L. Morton, and H. Kurebayashi
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 99 Issue: 14 Pages: 140401-140401
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.140401
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Microwave Directional Dichroism Resonant with Spin Excitations in the Polar Ferromagnet GaV4S8 (2019)
  • Author(s): Y. Okamura, S. Seki, S. Bordacs, A. Butykai, V. Tsurkan, I. Kezsmarki, and Y. Tokura
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 122 Issue: 5 Pages: 057202-057202
  • DOI: 10.1103/physrevlett.122.057202
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Multiple-q non-collinear magnetism in an itinerant hexagonal magnet (2018)
  • Author(s): R. Takagi, J. S. White, S. Hayami, R. Arita, D. Honecker, H. M. Ronnow, Y. Tokura, S. Seki
  • Journal Title: Science Advances Volume: 4 Issue: 11 Pages: 3402-3402
  • DOI: 10.1126/sciadv.aau3402
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Low-field bi-skyrmion formation in a noncentrosymmetric chimney ladder ferromagnet (2018)
  • Author(s): R. Takagi, X. Z. Yu, J. S. White, K. Shibata, Y. Kaneko, G. Tatara, H. M. Ronnow, Y. Tokura, S. Seki
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 120 Issue: 3 Pages: 037203-037203
  • DOI: 10.1103/physrevlett.120.037203
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spin-wave spectroscopy of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction in room-temperature chiral magnets hosting skyrmions (2017)
  • Author(s): R. Takagi, D. Morikawa, K. Karube, N. Kanazawa, K. Shibata, G. Tatara, Y. Tokunaga, T. Arima, Y. Taguchi, Y. Tokura, S. Seki
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 95 Issue: 22 Pages: 220406-220406
  • DOI: 10.1103/physrevb.95.220406
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Stabilization of magnetic skyrmions by uniaxial tensile strain (2017)
  • Author(s): S. Seki, Y. Okamura, K. Shibata, R. Takagi, N. D. Khanh, F. Kagawa, T. Arima, Y. Tokura
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 96 Issue: 22 Pages: 220404-220404
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.220404
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Noncentrosymmetric Magnets Hosting Magnetic Skyrmions (2017)
  • Author(s): Naoya Kanazawa, Shinichiro Seki, Yoshinori Tokura
  • Journal Title: Advanced Materials Volume: Online Issue: 25 Pages: 1603227-1603227
  • DOI: 10.1002/adma.201603227
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] スキルミオンひもを用いた情報伝送 (2019)
  • Author(s): 関 真一郎
  • Organizer: 新学術領域研究「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」第4回領域研究会
  • Invited
• [Presentation] Coherent signal transfer through skyrmion strings (2019)
  • Author(s): S. Seki
  • Organizer: International School on Spintronics and Korea-Japan Spintronics Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] スキルミオンストリングを使った情報伝送 (2019)
  • Author(s): 関 真一郎
  • Organizer: 日本物理学会2019年春季大会
  • Invited
• [Presentation] Coherent signal transfer along skyrmion strings (2018)
  • Author(s): S. Seki
  • Organizer: Kavli ITS-APW-Tsinghua-RIKEN Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Skyrmions in Chiral Multiferroic Insulators (2018)
  • Author(s): S. Seki
  • Organizer: International Conference on Magnetism (ICM)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Coherent signal transfer through skyrmion strings (2018)
  • Author(s): S. Seki
  • Organizer: Sol-Skymag
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Magnetic skyrmions: Particles and Strings (2018)
  • Author(s): 関 真一郎
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
  • Invited
• [Presentation] Magnetoelectric Dynamics of Skyrmions (2017)
  • Author(s): S. Seki
  • Organizer: Skyrmionics: Materials, Phenomena and Applications
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 磁気スキルミオン相における非相反なスピン波伝搬特性 (2017)
  • Author(s): 関真一郎、岡村嘉大、賀川史敬、十倉好紀
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会