Proposal and demonstration of high sensitivity device using spin current

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H01815
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 荒川 智紀 大阪大学, 理学研究科, 助教 (00706757)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: スピン流 / マイクロ波 / 円偏光 / スピントロニクス / 空洞共振器 / 2DEG

Outline of Annual Research Achievements

本研究はスピン流のコヒーレンスに注目し、スピン流を用いた超高感度デバイスの基礎研究を行うものである。非磁性体中のスピン流はアップ・ダウン電子の化学ポテンシャルが異なる特異な非平衡状態である。この非平衡状態を円偏波のマイクロ波を利用して制御したり新機能を創出することが目的である。
本研究の肝となるのはマイクロ波帯の円偏光を制御する技術である。昨年度、自作の円偏波空洞共振器を開発し、そこに円偏光マイクロ波を80%以上の高い純度で励振することに成功した。本年度はこの成果を論文にまとめ報告した。さらに、円偏波空洞共振器の改良を行い、励振効率・Q値を大幅に改善した。
一方、スピン流を注入する対象となる物質の輸送現象、及び円偏光マイクロ波との相互作用に関する研究を行った。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

円偏波空洞共振器に改良を加え、共振モードのQ値を数1000程度から10000程度に増加させた。これによって、マイクロ波とデバイスの相互作用を高感度に評価できるようになった。さらに、GaAs/AlGaAs界面の二次元電子系と円偏光マイクロ波の相互作用を高い精度で評価することに成功した。

Strategy for Future Research Activity

本年度は円偏波マイクロ波とGaAsベースの二次元電子系の相互作用の検出に成功した。今後はまず、円偏波マイクロ波の強度依存性を詳細に調べ、円偏波マイクロ波の照射による電子系のエネルギー分布の変調を調べる。次に、スピン蓄積状態にマイクロを照射した際の誘導放出の検出を行う。
この際、グラフェン・InGaAs・GaAsなどの二次元電子系を対象とし、さらに、ゲート電圧の印加によって電子密度の変調を行うことで系統的に研究を進めていく。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Laboratoire de Physique des Solides(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: Laboratoire de Physique des Solides
• [Journal Article] Unraveling a concealed resonance by multiple Kondo transitions in a quantum dot (2020)
  • Author(s): A. Lahiri, T. Hata, S. Smirnov, M. Ferrier, T. Arakawa, M. Niklas, M. Marganska, K. Kobayashis, and M. Grifoni
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 101 Pages: 041102/1～5
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.101.041102
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Butterfly-shaped magnetoresistance in triangular-lattice antiferromagnet Ag2CrO2 (2020)
  • Author(s): H. Taniguchi, M. Watanabe, M. Tokuda, S. Suzuki, E. Imada, T. Ibe, T. Arakawa, H. Yoshida, H. Ishizuka, K. Kobayashi, and Y. Niimi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Pages: 2525/1～7
  • DOI: 10.1038/s41598-020-59578-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Conductance quantization and shot noise of a double-layer quantum point contact (2020)
  • Author(s): D. Terasawa, S. Norimoto, T. Arakawa, M. Ferrier, A. Fukuda, K. Kobayashi, and Y. Hirayama
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 101 Pages: 115401/1～13
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.101.115401
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spin transport measurements in metallic Bi/Ni nanowires (2019)
  • Author(s): M. Tokuda, N. Kabeya, K. Iwashita, H. Taniguchi, T. Arakawa, D. Yue, X.-X. Gong, X.-F. Jin, K. Kobayashi, and Y. Niimi
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 12 Pages: 053005/1～4
  • DOI: 10.7567/1882-0786/ab15ae
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cavity resonator for circularly polarized microwave irradiation mounted on a cryostat (2019)
  • Author(s): T. Arakawa, S. Norimoto, S. Iwakiri, T. Asano, and Y. Niimi
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 90 Pages: 084707/1～6
  • DOI: 10.1063/1.5098846
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantum noise in carbon nanotubes as a probe of correlations in the Kondo regime (2019)
  • Author(s): M. Ferrier, R.Delagrange, J. Basset, H. Bouchiat, T. Arakawa, T. Hata, R. Fujiwara, Y. Teratani, R. Sakano, A. Oguri, K. Kobayashi, and R. Deblock
  • Journal Title: Journal of Low Temperature Physics Volume: online published Pages: ー
  • DOI: 10.1007/s10909-019-02232-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Upper critical field measurements in Bi/Ni superconducting bilayer film (2020)
  • Author(s): M. Tokuda, H. Taniguchi, T. Arakawa, D. Yue, X.-X. Gong, X.-F. Jin, K. Kobayashi, and Y. Niimi
  • Organizer: New Perspective in Spin Conversion Science (NPSCS2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 円偏波空洞共振器を用いた2次元電子系の交流電導度テンソルの検出 (2020)
  • Author(s): 荒川智紀、新見康洋
  • Organizer: 日本物理学会第75 回年次大会
• [Presentation] 2層系量子ポイントコンタクトにおける巨大なゼーマン分裂 (2020)
  • Author(s): 寺澤大樹、則元将太、荒川智紀、Meydi Ferrier、福田昭、小林研介、平山祥郎
  • Organizer: 日本物理学会第75 回年次大会
• [Presentation] リエントラントスピングラスAuFe における異常ホール効果とスピンホール効果の測定 (2020)
  • Author(s): 井邊昂志、渡邉杜、谷口祐紀、荒川智紀、谷口年史、小林研介、新見康洋
  • Organizer: 日本物理学会第75 回年次大会
• [Presentation] 三角格子反強磁性体Ag2CrO2 高純度薄膜における磁気異方性の電気的検出 (2020)
  • Author(s): 今田絵理阿、谷口祐紀、渡邉杜、徳田将志、鈴木将太、荒川智紀、吉田紘行、石塚大晃、小林研介、新見康洋
  • Organizer: 日本物理学会第75 回年次大会
• [Presentation] カイラル磁性体CrNb3S6 薄膜におけるスピン流注入の試み (2020)
  • Author(s): 佐々木壱晟、川原遼馬、谷口祐紀、荒川智紀、乾皓人、島本雄介、高阪勇輔、戸川欣彦、小林研介、新見康洋
  • Organizer: 日本物理学会第75 回年次大会
• [Presentation] 表面弾性波照射により生じる超伝導NbSe2 薄膜の負抵抗状態の起源 (2020)
  • Author(s): 横井雅彦、藤原聖士、河村智哉、荒川智紀、青山和司、福山寛、小林研介、新見康洋
  • Organizer: 日本物理学会第75 回年次大会
• [Presentation] Bi/Ni 超伝導薄膜の上部臨界磁場測定 (2020)
  • Author(s): 徳田将志、谷口祐紀、荒川智紀、D. Yue、X.-F. Jin、小林研介、新見康洋
  • Organizer: 日本物理学会第75 回年次大会
• [Presentation] Fine etching process for fabrication of single electron sources (2019)
  • Author(s): S. Norimoto, S. Iwakiri, M. Yokoi, T. Arakawa, Y. Niimi, and K. Kobayashi
  • Organizer: 20th Anniversary of Superconducting Qubits (SQ20th): Progress and Future Directions
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Buttery-shaped magnetoresistance in Ising system induced by spin fluctuations (2019)
  • Author(s): H. Taniguchi, M. Watanabe, M. Tokuda, S. Suzuki, T. Ibe, T. Arakawa, H. Yoshida, H. Ishizuka, K. Kobayashi, and Y. Niimi
  • Organizer: 2019 Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Determination of Spin Freezing Temperature in Nanoscale Spin Glasses (2019)
  • Author(s): H. Taniguchi, M. Tokuda, T. Taniguchi, T. Arakawa, B. Go, T. Ziman, S. Maekawa, K. Kobayashi, and Y. Niimi
  • Organizer: 2019 Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spin transport measurements in metallic Bi/Ni nanowires (2019)
  • Author(s): M. Tokuda, N. Kabeya, K. Iwashita, H. Taniguchi, T. Arakawa, D. Yue, X.-X. Gong, X.-F. Jin, K. Kobayashi, and Y. Niimi
  • Organizer: 2019 Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spin Splitting Induced by Spin-Orbit Interaction in a Double-Layer Quantum Point Contact (2019)
  • Author(s): D. Terasawa, S. Norimoto, T. Arakawa, M. Ferrier, A. Fukuda, K. Kobayashi, and Y. Hirayama
  • Organizer: International Symposium on Hybrid Quantum Systems 2019 (HQS2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 円偏波マイクロ波照射用の空洞共振器の開発 (2019)
  • Author(s): 荒川智紀、則元将太、岩切秀一、浅野拓也、 新見康洋
  • Organizer: 日本物理学会2019 年秋季大会
• [Presentation] カイラル磁性体CrNb3S6 薄膜のスピン輸送測定 (2019)
  • Author(s): 川原遼馬、谷口祐紀、河上司、Y. A. Alaoui、荒川智紀、乾皓人、島本雄介、高阪勇輔、戸川欣彦、小林研介、新見康洋
  • Organizer: 日本物理学会2019 年秋季大会
• [Presentation] 雑音測定を用いたグラフェン量子ホールブレークダウン前駆現象検出の試み (2019)
  • Author(s): 坂井康介、S.-H. Lee、浅野拓也、荒川智紀、新見康洋、小林研介
  • Organizer: 日本物理学会2019 年秋季大会
• [Presentation] Bi/Ni 薄膜における超伝導特性の細線幅依存性 (2019)
  • Author(s): 徳田将志、岩下孔明、壁谷奈津紀、谷口祐紀、荒川智紀、新見康洋、小林研介、X.-X. Gong、D. Yue、X.-F. Jin
  • Organizer: 日本物理学会2019 年秋季大会
• [Presentation] 原子層超伝導ZrTe3-xSex 薄膜における電気伝導特性 (2019)
  • Author(s): 藤原聖士、横井雅彦、荒川智紀、小林研介、新見康洋
  • Organizer: 日本物理学会2019 年秋季大会
• [Presentation] 三角格子反強磁性体Ag2CrO2 薄膜における磁気伝導測定 (2019)
  • Author(s): 谷口祐紀、渡邉杜、徳田将志、井邊昂志、荒川智紀、吉田紘行、石塚大晃、小林研介、新見康洋
  • Organizer: 日本物理学会2019 年秋季大会
• [Remarks] 荒川智紀のホームページ
  • URL: http://tarakawa.sakura.ne.jp/HPtomonori/