スピンゼーベック効果とマグノンダイナミクスの相関解明に関する研究

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15J08026
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 吉川 貴史 東北大学, 大学院理学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2018-03-31
• Keywords: スピンゼーベック効果 / マグノン / マグノン-フォノン混成

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、磁性体中のマグノンやフォノンなどの素励起がスピンゼーベック効果の発現にどのように関与しているかを解明することを目的とする。スピンゼーベック効果の微視的な理解が深まり、スピンゼーベック素子の熱電変換能を向上させるための指針が得られれば、スピンゼーベック型熱電変換デバイスの実現及び、今後の環境調和型の発電技術の発展に貢献できると考えられる。平成28年度の主な成果は、以下の2点である。

(1) スピンゼーベック効果の発現においてマグノン励起が必須であることを示した：我々のこれまでの研究により、スピンゼーベック効果の発現には磁性体層のマグノン励起が不可欠であることが示唆されていたが決定的な証拠はなかった。そこで、マグノンの熱励起を完全に抑制できると考えられる強磁場(14 T)・低温(2 K)下におけるスピンゼーベック効果の磁場依存性測定を系統的に行った。すると本条件下において、スピンゼーベック信号が完全に抑制されることが明らかとなった。これは、スピンゼーベック効果の発現にマグノン励起が必須であることを示す確固たる証拠であり、スピンゼーベック効果の発現機構解明に向けた前進と言える。

(2) マグノン-フォノン混成粒子がスピンゼーベック効果を増大させる新原理を見出した：Y3Fe5O12/Pt接合におけるスピンゼーベック効果を高い磁場分解能で測定したところ、マグノンとフォノンの分散関係の相対位置関係を反映して異常なピーク信号が現れることが確認された。実験・理論の両面からのアプローチにより、本現象は、磁気弾性相互作用によって形成されるマグノン-フォノン混成粒子が運ぶ長寿命なスピン流に起因することを明らかにした。本研究により、マグノン流に比べて長寿命なフォノン流をスピンゼーベック効果に利用可能であることが示され、スピンゼーベック効果の高効率化へ向けた新しい指針が得られたと言える。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

平成28年度の研究により、スピンゼーベック効果に対するマグノン由来シナリオの確固たる証拠が得られ、かつ、マグノン-フォノン混成粒子によるスピンゼーベック効果の増大という興味深い結果を得ることができた。特に後者に関しては、マグノン流だけでなくフォノン流もスピンゼーベック効果に利用可能であることを示しており、スピンゼーベック効果の熱電変換応用に向けての新しい指針になると考えられる。以上より、当初の目的達成に向けて、研究を順調に遂行できていると判断する。

Strategy for Future Research Activity

平成29年度は、イットリウム鉄ガーネットY3Fe5O12(YIG)の光学マグノンモードによるスピンゼーベック効果の実証を目指す。また、YIGのYサイトの希土類置換に伴うマグノン分散関係の変化が、スピンゼーベック効果によるスピン流生成にどのように影響するかについて研究を進める予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Delft University of Technology/Utrecht University/University of Groningen(オランダ)
  • Country Name: NETHERLANDS
  • Counterpart Institution: Delft University of Technology/Utrecht University/University of Groningen
• [Int'l Joint Research] Universidad de Zaragoza(Spain)
  • Country Name: Spain
  • Counterpart Institution: Universidad de Zaragoza
• [Int'l Joint Research] Johannes Gutenberg-Universitat Mainz(Germany)
  • Country Name: Germany
  • Counterpart Institution: Johannes Gutenberg-Universitat Mainz
• [Journal Article] Temperature dependence of the spin Seebeck effect in [Fe3O4/Pt]n multilayers (2017)
  • Author(s): R. Ramos, T. Kikkawa, A. Anadón, I. Lucas, K. Uchida, P. A. Algarabel, L. Morellón, M. H. Aguirre, E. Saitoh, and M. R. Ibarra
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 7 Pages: 055915
  • DOI: 10.1063/1.4974060
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Magnon-polaron transport in magnetic insulators (2017)
  • Author(s): B. Flebus, K. Shen, T. Kikkawa, K. Uchida, Z. Qiu, E. Saitoh, R. A. Duine, and G. E. W. Bauer
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Complete Suppression of Longitudinal Spin Seebeck Effect by Frozen Magnetization Dynamics in Y3Fe5O12 (2016)
  • Author(s): T. Kikkawa, K. Uchida, S. Daimon, and E. Saitoh
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 85 Pages: 065003
  • DOI: 10.7566/JPSJ.85.065003
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Spin-current-driven thermoelectric generation based on interfacial spin-orbit coupling (2016)
  • Author(s): A. Yagmur, S. Karube, K. Uchida, K. Kondou, R. Iguchi, T. Kikkawa, Y. Otani, and E. Saitoh
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 108 Pages: 242409
  • DOI: 10.1063/1.4953879
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Corrections to “Thermoelectric Generation Based on Spin Seebeck Effects” (2016)
  • Author(s): K. Uchida, H. Adachi, T. Kikkawa, A. Kirihara, M. Ishida, S. Yorozu, S. Maekawa, and E. Saitoh
  • Journal Title: Proceedings of the IEEE Volume: 104 Pages: 1499
  • DOI: 10.1109/JPROC.2016.2577478
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Magnon Polarons in the Spin Seebeck Effect (2016)
  • Author(s): T. Kikkawa, K. Shen, B. Flebus, R. A. Duine, K. Uchida, Z. Qiu, G. E. W. Bauer, and E. Saitoh
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 117 Pages: 207203
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.207203
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Gamma radiation resistance of spin Seebeck devices (2016)
  • Author(s): A. Yagmur, K. Uchida, K. Ihara, I. Ioka, T. Kikkawa, M. Ono, J. Endo, K. Kashiwagi, T. Nakashima, A. Kirihara, M. Ishida, and E. Saitoh
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 109 Pages: 243902
  • DOI: 10.1063/1.4971976
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 磁気弾性結合が磁性絶縁体中の熱的スピン流生成に与える影響 (2017)
  • Author(s): 吉川貴史, 内田健一, Zhiyong Qiu, 齊藤英治
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-17
• [Presentation] XMCD detection of paramagnetic induced moments in Pt on Y3Fe5O12 (2017)
  • Author(s): T. Kikkawa, M. Suzuki, J. Okabayashi, K. Uchida, D. Kikuchi, Z. Qiu, and E. Saitoh
  • Organizer: The AIMR International Symposium 2017 (AMIS2017)
  • Place of Presentation: 仙台国際センター
  • Year and Date: 2017-02-13 – 2017-02-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observation of a phonon anomaly in the spin Seebeck effect (2016)
  • Author(s): T. Kikkawa, K. Shen, B. Flebus, R. A. Duine, K. Uchida, Z. Qiu, G. E. W. Bauer, and E. Saitoh
  • Organizer: The 61st Annual Magnetism and Magnetic Materials (MMM) Conference
  • Place of Presentation: New Orleans, USA
  • Year and Date: 2016-11-04 – 2016-11-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] XMCD detection of induced paramagnetic moment in Pt on Y3Fe5O12 (2016)
  • Author(s): T. Kikkawa, M. Suzuki, J. Okabayashi, K. Uchida, D. Kikuchi, Z. Qiu, and E. Saitoh
  • Organizer: The 61st Annual Magnetism and Magnetic Materials (MMM) Conference
  • Place of Presentation: New Orleans, USA
  • Year and Date: 2016-11-02 – 2016-11-02
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] マグノン-フォノン結合誘起スピンゼーベック効果の観測 (2016)
  • Author(s): 吉川貴史, Ka Shen, Benedetta Flebus, Rembert A. Duine, 内田健一, Zhiyong Qiu, Gerrit E. W. Bauer, 齊藤英治
  • Organizer: 日本物理学会 2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-14 – 2016-09-14