2014 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | nano spin conversion science |
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26103006
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
村上 修一 東京工業大学, 大学院理工学研究科(理学系), 教授 (30282685)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
多々良 源 独立行政法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, チームリーダー (10271529)
Bauer Gerrit 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (10620213)
前川 禎通 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 先端基礎研究センター, センター長 (60005973)
永長 直人 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (60164406)
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| Project Period (FY) |
2014-07-10 – 2019-03-31
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| Keywords | スピンエレクトロニクス / 物性理論 / 磁性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
村上はトポロジカル半金属でのスピン変換現象に向けた理論研究を行った。特に対称性の低い系の例として、カイラル結晶のテルルのバンド計算を行った。その結果、圧力下でワイル半金属が実現されること、および伝導帯のスピン構造が波数空間で放射状となり、よく知られたラシュバ分裂とは異なることを見いだした。またらせん状の結晶では電流が軌道磁化を誘起しうることを見いだした。
多々良は、熱輸送現象を記述する理論体系が、電子輸送現象を記述する理論体系よりも難しく理解が遅れていることに注目した。そこで電子輸送の理論体系と同様に使いやすい、ベクトルポテンシャルに基づいた熱輸送現象の理論体系の構築を行った。これにより電気的輸送現象と全く同列の解析が可能になった。
Bauerは、磁性絶縁体やその薄膜、金属端子との接合で、自由電子と他自由度（スピン波、結晶格子、マイクロ波、光）との間のスピン角運動量変換の理論を構築した。輸送方程式を確立し、多様な現象を記述する計算機コードを構築した。特にスピンペルチェ効果の発見、スピンゼーベック効果の符号反転の微視的機構解明、fsパルスでの空間時間分解分光法でのフォノンによるスピン輸送の理論構築を行った。
前川は僅かにイリジウムを添加した銅において、スピンホール効果で生じる電圧の符号が、電子間斥力で反転することを理論的に示した。また、A04班と共同で、金属微粒子での表面プラズモンを磁場中で光照射により励起することで、光をスピン流に変換することに世界で初めて成功した。
永長はトポロジカルスピン構造であるスキルミオンの生成、消去、運動の理論研究を推進した。その挙動は古典力学に従う質点とは大きく異なり、障害物を避けて大きな易動度を持つこと、試料端に沿う高速運動が可能なこと、電流駆動運動では慣性質量がほとんどないこと、などの優れた特徴を見出した。また固体中のディラック電子の分類学を構築した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本新学術領域では、従来のスピントロニクス分野から一歩進んでスピン変換現象に着目することで、関連する分野が（従来のスピントロニクス分野に比べても）さらに広がってきている。それとともに実験技術の進歩もあって多様な可能性が広がってきているため、理論研究も計画以上に大きく発展している。例えばスキルミオンは、当初予想しなかったいくつもの新奇な性質が明らかになっており、磁気メモリへの応用が視野に入ってきたことは大きな進展であった。試料端をうまく使えば、従来の磁壁の運動に比べて約１００倍にもおよぶ高速運動が可能であること、レーザー照射によって生成、消滅が可能なこと、など粒子としての優れた特性が理論的に明らかになったことは、スキルミオンの制御を開発する上で重要な知見である。他にも流体の渦によるスピン流生成を液体金属である水銀で示した研究は、同じ新学術領域の実験グループ（A04班）と本理論グループ(A05班)との共同研究により生まれた顕著な成果である。このように、本研究で開発したスピン変換現象を扱う理論手法や数値計算コードは実験への提案や実験結果の解釈にも大きな力を発揮すると期待され、実際現在まで実験研究グループとの強い連携で、当初の計画以上に大きな進展を生み出している。
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| Strategy for Future Research Activity |
各研究グループが特長を生かして以下の研究を行い、それらを総合してスピン変換現象の予言、解釈、発展を目指す。村上は特異な結晶構造に起因する新しいスピン変換現象の予言を目指す。特にカイラル結晶では電流が軌道磁化を誘起する現象を見いだしていて、これはスピン軌道相互作用によらない。これを発展させてカイラル結晶など、空間反転の破れた系での特異なスピン変換現象を探索する。
多々良は多種のスピン変換現象解明に向け、これまでの微視的グリーン関数による解析に加え、より直感的な描像を構築することも重視して研究を進める。これは様々な背景を持つ研究者へのインパクトを得るためであり、社会への還元にも役立つと期待される。
Bauerは、非一様ないし乱れた磁性体構造において、温度勾配、外部電場、フォトンなどで励起されたスピン波とフォノンの結合した輸送現象について、解析的・数値的研究を行い、今後の実験への理解を深めることを目指す。特に量子効果の役割、例えばマグノンの化学ポテンシャルの効果について理解を深める。
前川はスピン流の2つの形態である個別励起と集団励起に注目し、それと電流の新しい関わりを議論する。例えばスピンホール効果では従来主に伝導電子スピン流（個別励起）の寄与が研究されているため、今後スピン波スピン流（集団励起）が電流に変換される機構をストーナー模型に基づき議論し、A04班の実験グループを刺激する新しい理論提案をめざす。
永長は、トポロジカル絶縁体におけるスピン変換の理論研究を推進する。強いスピン軌道相互作用下での表面状態での量子化ホール状態、および量子化異常ホール状態におけるスピンと電流、電荷、電気分極の間の変換機能を研究する。量子化電気・磁気結合効果、量子化異常ホール系でのスキルミオンの発現とその電流駆動、エレクトロマグノン磁気共鳴、非相反性電流、などの物性を明らかにする。
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[Journal Article] The 2014 Magnetism Roadmap2014
Author(s)
R. L. Stamps, S. Breitkreutz, J. Akerman, A. Chumak., Y. Otani, G. E. W. Bauer, J.-U. Thiele., M. Bowen., S.A. Majetich, M. Klaeui, I. L. Prejbeanu, B. Dieny, N. M. Dempsey, and B. Hillebrandsr
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Journal Title
J. Phys. D
Volume: 47
Pages: 333001-1--28
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Spin mechanics2014
Author(s)
S.T.B. Goennenwein, S. Maekawa, and G. E. W. Bauer, Spin mechanics
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Journal Title
Solid State Commun.
Volume: 198
Pages: 1-2
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Spin Hall noise2014
Author(s)
A. Kamra, F. P. Witek, S. Meyer, H. Huebl, S. Geprags, R. Gross, G. E. W. Bauer, and S. T. B. Goennenwein
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 90
Pages: 214419-1--6
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Sign of inverse spin Hall voltages generated by ferromagnetic resonance and temperature gradients in yttrium iron garnet|platinum bilayers2014
Author(s)
M. Schreier, G. E. W. Bauer, V. Vasyuchka, J. Flipse, K. Uchida, J. Lotze, V. Lauer, A. Chumak, A. Serga, S. Daimon, T. Kikkawa, E. Saitoh, B. J. van Wees, B. Hillebrands, R. Gross, S. T. B. Goennenwein
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Journal Title
J. Phys. D: Appl. Phys.
Volume: 48
Pages: 025001-1--5
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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