2017 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | nano spin conversion science |
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26103004
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
大岩 顕 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (10321902)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
水上 成美 東北大学, 材料科学高等研究所, 教授 (00339269)
塚本 新 日本大学, 理工学部, 教授 (30318365)
安藤 和也 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (30579610)
佐藤 琢哉 九州大学, 理学研究院, 准教授 (40451885)
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| Project Period (FY) |
2014-07-10 – 2019-03-31
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| Keywords | 光学的スピン変換 / 円偏光 / 界面スピン変換 / スピントロニクス / マグノン・スピン流 / 量子状態変換 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
大岩は、単一光子偏光から単一電子スピンへの量子状態変換を高効率で行うために重い正孔からの遷移で量子状態変換が可能な(110)GaAs量子井戸基板を使って、世界で初めて横型量子ドットを実現した。また公募研究の東大松尾グループと共同して、もつれ光子対の一方の光子を量子ドット中の電子に変換し、もう片方の光子と同時検出に成功した。またInAs自己形成量子ドットで初めて電荷検出を実現した。
水上は、界面ジャロジンスキ守屋相互作用の働くヘテロ接合のレーザー光励起コヒレントマグノンを調べ、一方向性伝搬を示唆する実験結果を得た。また、積層型反強磁性構造において、反強磁性マグノンモードを明確に観測した。一方、他班と共同で、低ダンピング定数を示す規則合金やフェリ磁性体のレーザー光励起コヒレントマグノンを明らかにした。
塚本は、異なる電子比熱を有する付与層を介した複合膜電子温度緩和特性の整調により、超短パルス光照射に続くサブピコ秒領域における固体内エネルギー散逸の時間発展特性が制御可能である事を明らかにするとともに、非線形全光型磁化反転現象における吸収光エネルギーに対する反転磁化状態への変換効率の増大を実験的に示した。
佐藤は、軌道角運動量が消失していない反強磁性体CoOにおいて、逆磁気光学効果により大振幅スピン振動を観測した。これは大きなスピン・軌道相互作用により磁気光学相互作用が増強されたとして理解された。マルチフェロイック物質において、光で励起されたマグノンの非線形応答が見出され、電気磁気効果の寄与を示唆している。
安藤は金属/絶縁体界面におけるマイクロ波から伝導電子スピン流への変換を精密に測定し、マグノン分裂を伴うスピン流生成効果に特異な振る舞いが現れることを見出した。本現象の磁場・マイクロ波周波数依存性は、このスピン流がフォノンと結合したマグノンによって生成されたものであることを示している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
大岩は、量子状態変換の実証についてはやや遅れているが、公募研究との共同によるもつれ光子対からの変換など新しい成果を挙げている。また量子状態変換も新しい量子ドットや新しい電荷検出法を実現したことで、高効率な単一量子間でのコヒーレント光学的スピン変換の達成への目途がついた。
水上は、最終目標に向け、ナノヘテロ接合構造、積層反強磁性構造、低ダンピングを示す規則合金やフェリ磁性合金薄膜など、他班と共同で多彩な物質系におけるコヒレントマグノンやその伝搬を観測している。それらの一部は学会発表ならびに論文投稿中であり、順調に研究は進んでいると言える。
塚本は、これまでの研究により、光照射に続く極短時間領域におけるエネルギー散逸特性への異種電子比熱多層構造化による寄与も明らかとなった。さらに、国際共同研究により、高強度THz単一パルスによる完全磁化反転現象の存在、A01班との共同研究により、角運動量補償現象に基づく高速磁壁移動の発現、等が明らかとなった。
佐藤は、装置の立ち上げがほぼ完了し、システマティックに測定できる環境が整った。当初予想していた効果が観測されたため、今後引き続き測定を継続する。
安藤はこれまでの研究により、マイクロ波から伝導電子スピン流へのスピン変換に関する系統的データが集まった。これは、マグノン分裂・散乱のようなスピン系の非線形性、さらにフォノンまで含めたスピン変換によって現れるスピントロニクス現象の基礎物性の理解に繋がるものである。
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| Strategy for Future Research Activity |
大岩は、単一量子間のコヒーレントな光学的スピン変換の実証に向け、今年度実現した(110)横型量子ドットを使い、光生成単一電子スピンの検出を進める。波長依存性や偏光依存性、そして電子スピン操作を駆使することで量子状態変換の実証を目指す。またInAs自己形成量子ドットでの単一光生成電子の検出を試み、自己形成ドット系での量子状態変換の可能性を示す。
水上は、これまで調べている様々な物質系において、円偏光励起コヒレントマグノンやその伝搬の観測を行うことで、金属系の光スピントルクや逆ファラデー効果を明らかにする。新しく立ち上げたレーザー光励起テラヘルツ波輻射の測定系を用いて、円偏光が金属内に誘起するスピン角運動量を調べることで、金属磁性体における光－スピン変換研究を推進する。
塚本は、主としてサブピコ秒領域におけるエネルギー/角運動量散逸特性の異なる副格子磁化ネットワークシステムを介した非線形光誘起磁化ダイナミクスとの観点にて、複合磁性/非磁性材料を対象とした光誘起スピン依存現象および偏光依存現象計測との相補的検討を行い、超短時間光スピン作用過程の時間的構造を明らかにする。
佐藤はマルチフェロイック材料を用いて、光で誘起したマグノンとフォノン間の非線形相互作用を調べる。また、光とマグノンとの相互作用を増強させるために、物質中のスピン・軌道相互作用を外場による変調を試みる。こうして、光・マグノン・フォノン間の相互作用（特に角運動量の変換）の本質的理解を目指す。
安藤は、非線形スピン変換現象の体系的理解に向け、パラメトリック励起を用いたスピン流生成の系統的測定を進め、特にマグノンとフォノンの結合による効果を明らかにする。また、これまでの研究により明らかとなった、スピントロニクス素子の酸化効果と分子修飾効果を用いた高効率な電流・スピン流変換の実現を目指す。
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[Journal Article] Three-dimensional visualization of magnetic domain structure with strong uniaxial anisotropy via scanning hard X-ray microtomography2018
Author(s)
M. Suzuki, Kab-Jin Kim, S. Kim, H. Yoshikawa, T. Tono, K. T. Yamada, T. Taniguchi, H. Mizuno, K. Oda, M. Ishibashi, Y. Hirata, T. Li, A. Tsukamoto, D. Chiba and T. Ono
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Journal Title
Applied Physics Express
Volume: 11
Pages: 036601 1-4
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Magnetic Anisotropy and Damping for Monolayer-Controlled Co | Ni Epitaxial Multilayer2017
Author(s)
T. Seki, J. Shimada, S. Iihama, M. Tsujikawa, T. Koganezawa, A. Shioda, T. Y. Tashiro, W. Zhou, S. Mizukami, M. Shirai, and K. Takanashi
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Journal Title
J. Phys. Soc. Jpn.
Volume: 86
Pages: 074710 1-23
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Fast domain wall motion in the vicinity of the angular momentum compensation temperature of ferrimagnets2017
Author(s)
Kab-Jin Kim, Se Kwon Kim, Yuushou Hirata, Se-Hyeok Oh, Takayuki Tono, Duck-Ho Kim, Takaya Okuno,Woo Seung Ham, Sanghoon Kim, Gyoungchoon Go, Yaroslav Tserkovnyak, Arata Tsukamoto, Takahiro Moriyama, Kyung-Jin Lee and Teruo Ono
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Journal Title
Nature Materials
Volume: 16
Pages: 1187-1192
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Optical control of magnetization dynamics in Gd-Fe-Co films with different compositions2017
Author(s)
Takuo Ohkochi, Hidenori Fujiwara, Masato Kotsugi, Hirokazu Takahashi, Roman Adam, Akira Sekiyama, Tetsuya Nakamura, Arata Tsukamoto, Claus M. Schneider, Hiroto Kuroda, Elvis F. Arguelles, Mamoru Sakaue, Hideaki Kasai, Masakiyo Tsunoda, Shigemasa Suga, and Toyohiko Kinoshita
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Journal Title
Applied Physics Express
Volume: 10
Pages: 103002 1-4
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] All-optical observation and reconstruction of spin wave dispersion2017
Author(s)
Y. Hashimoto, S. Daimon, R. Iguchi, Y. Oikawa, K. Shen, K. Sato, D. Bossini, Y. Tabuchi, T. Satoh, B. Hillebrands, G. E. W. Bauer, T. H. Johansen, A. Kirilyuk, Th. Rasing, and E. Saitoh
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Journal Title
Nature Communications
Volume: 8
Pages: 5859 1-6
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] Fast Domain Wall Motion Induced by Antiferromagnetic Spin Dynamics at Angular Momentum Compensation Temperature of Ferrimagnets2017
Author(s)
K. Kim, S. Kim, T. Tono, S. Oh, T. Okuno, W. Ham, Y. Hirata, S. Kim, G. Go, Y. Tserkovnyak, A. Tsukamoto, T. Moriyama, K. Lee and T. Ono
Organizer
Intermag Europe 2017
Int'l Joint Research
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