2019 Fiscal Year Annual Research Report
Dissipationless spin currents in metallic ambipolar conductors
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19H02413
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| Research Institution | Saitama University |
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Principal Investigator |
酒井 政道 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (40192588)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
花尻 達郎 東洋大学, 理工学部, 教授 (30266994)
粟野 博之 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40571675)
長谷川 繁彦 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (50189528)
中村 修 岡山理科大学, 付置研究所, 教授 (60749315)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | スピン流 / スピン緩和 / スピン拡散長 / 補償金属 / 化学ポテンシャル / エントロピー / ホール効果 / Gibbs-Duhem関係式 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
私たちは、補償金属や半金属をはじめとする縮退した電子と正孔が同時に電気伝導に寄与する両極性伝導体に注目する。キャリヤ電荷の正負の自由度に、キャリヤスピンのアップ・ダウンの自由度が結合することによってもたらされる現象を、理論および実験的観点から研究する。初年度（2019年度）の研究から分かったことは以下のとおりである：
（１）非磁性の両極性伝導体にスピン注入した際に生じる化学ポテンシャルのスピン分裂の仕方を、熱力学の基本則であるGibbs-Duhemの関係式にもとづいて考察し、電子と正孔では、反対称的に分裂することを見出した。すなわち、電子のアップスピンの化学ポテンシャルが増加（減少）する場合には、正孔のダウンスピンのそれが減少（増加）する。
（２）（１）の結果を考慮することによって、スピン依存化学ポテンシャルの空間変化を決定する拡散方程式を導出することに成功した。単極性伝導体と異なり、２種類のスピン拡散方程式が得られた。
（３）２種類のスピン拡散方程式に対応して、性格の異なる２種類のスピン拡散長が得られた。一つは、通常の金属と同程度の拡散長を示すのに対して、残りの一つは、極めて大きな値をもたらす。それは、両極性伝導体の電荷偏極度の平方根に反比例する。２種類のスピン拡散長に対応するスピン流の実体を明らかにした。一つは、電子スピン流と正孔スピン流とが同じ向きに輸送するモードに対応し、残りの一つは、それらが逆行輸送するモードである。
（４）（１）から（３）までの理論的知見に基づいて、スピン流に伴うエントロピー生成率を計算した。 その結果、電荷偏極のない完全補償では、エントロピーが全く生成しないことを予測した。
（５）複数の電極を有するホールバー素子を製作し、正孔および電子スピン注入におけるホール効果測定を実施し、YH2の室温スピン拡散長が約50μmであることを見出した。
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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
学振に提出した2019年度の当初計画は、以下のとおりであった：
（１）化学ポテンシャルのスピン分裂の熱力学的理論：電子および正孔の特性にどのような条件を課した場合に、アップ/ダウンスピンに関して化学ポテンシャルが対称分裂あるいは反対称分裂するのかを熱力学のGibbs-Duhemの関係式にもとづいて理論的に明らかにする。（２）（１）の結果にもとづいて、平行スピン流および反平行スピン流におけるスピン拡散長の計算を行った後、それらのスピン流によるエントロピー生成率を計算する。（３）正孔および電子スピン偏極電流の同時/個別注入下におけるホール効果の測定を交流法と直流法の両方で実施し、準備研究によって提案した、自律型スピン流に共鳴するホール効果機構によるデータ解析を行い、共鳴理論の有効性を調査する。（４）電流注入の伴わない非局所スピン注入下におけるスピン拡散長の評価：平行スピン流および反平行スピン流の同時/個別注入の方法を確立し、それぞれのスピン流に対応する拡散長を実験的に評価し、（２）の理論計算との相違を明らかにする。（５）スピン注入源で使用する遷移金属希土類フェリ磁性体の最適化：準備研究によって、TbFeCo（Tb:Fe:Co=26:66:8）が少なくとも同時注入に有効であることが確認できているので、スピン注入下ホール抵抗を、TbFeCoにおける元素組成比の関数として調べ、スピン注入源組成を最適化する。
このような当初計画のうち、（５）を除く、（１）、（２）、（３）および（４）が遂行できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
（１）初年度（2019年度）における両極性伝導体のスピン拡散方程式の導出では、正孔のスピン緩和時間と電子とのそれが等しいとする仮定が本質的である。第２年度（2020年度）ではこの仮定の妥当性を微視的観点から理論的に検討する。その際に、両極性伝導体である多くの補償金属群がフェルミ液体であることに注意する。
（２）正孔および電子スピン注入下での、両極性伝導体の磁気電気輸送係数（磁気抵抗とホール抵抗）を、２種類のスピン流、すなわち、平行スピン流と反平行スピン流を考慮して計算する。その際にオンサガーの相反則に矛盾しないように理論を構築する。計算は、ドルーデモデルか ら予め導出した電子と正孔に関するスピン依存電気伝導度テンソルを使った2流体モデルに基づく。特に、この計算の目的は、２種類のスピン流が、それぞれ、どのような仕方で、輸送係数(磁気抵抗とホール抵抗)に拘っているのかを明らかにすることである。
（３）正孔および電子スピン偏極電流の同時注入下における比抵抗およびホール効果測定をホールバー法に基づいて行い、上記（２）で実施する計算結果と比較し、反平行スピン流の拡散長を求める。その際、両極性伝導体として、これまでのYH2から、水素化を伴わない、Y、Sc、Yb、Ptなどの補償金属に拡張し、また、スピン流路の最大長を初年度（2019年度）の90μmから180μmに変更する。
（４）ハンル効果を用いた反平行スピン流の拡散長の測定を行う。電流注入の伴わない非局所スピン注入法を用い、外部磁場を注入スピンの向きに垂直方向に印加して、ハンル効果を発生させて、スピン拡散長を評価する。（３）の結果との整合性を調べる。（３）の結果と異なる拡散長が得られた場合には、その原因を究明する。
（５）2020年度中に、もうひとつのスピン流である平行スピン流のスピン拡散長を実験的に評価する準備に着手する。
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| Remarks |
埼玉大学 酒井 政道氏, 大阪大学 北島 彰氏に聞く（古寺 博）
企画特集ナノテクノロジーPick Up～新展開をもたらすナノテクノロジープラットフォーム～＜第33回＞スピントロニクスの新潮流を期待する両極性伝導体の材料合成・デバイス作製 ～スピン流生成・現象解明のためのvan der Pauw型微小ホール素子～
Nanotech Japan Bulletin Voi. 33 (2020) 1-10.
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[Presentation] Gd25Fe66Co9電極を用いたY単層のホール効果測定2020
Author(s)
芦澤 優吾, 高橋 侑太郎, 川口 颯天, 山崎 郁生, Mst. Sanjida Aktar, 酒井 政道, 吉住 年弘, 花尻 達郎, 徳田 正秀, 藤井 泰彦,P. V. Thach, 粟野 博之, 長谷川 繁彦, 中村 修
Organizer
2020年第67回応用物理学会春季学術講演会
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[Presentation] 両極性伝導体YH2におけるスピン拡散長の評価2020
Author(s)
川口 颯天, 芦澤 優吾, 高橋 侑太郎, 山崎 郁生, Mst. Sanjida Aktar, 酒井 政道, 吉住 年弘, 花尻 達郎, 徳田 正秀, 藤井 泰彦, 中村 修, Pham Van Thach, 粟野 博之, 長谷川繁彦
Organizer
2020年第67回応用物理学会春季学術講演会
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[Presentation] Hall-bar法を用いた電子および正孔スピン流の対向注入下におけるYH2の共鳴ホール効果2019
Author(s)
佐藤 枢, 芦沢優吾, 高橋侑太郎, 川口颯天, Mst. Sanjida Aktar, 三上亮太, 秋里宗次郎, 菅沼奈央, 吉住年弘, 酒井政道, 花尻達郎, 中島義賢, 徳田正秀, 藤井泰彦, 長谷川繁彦, 中村 修, P. V. Thach, 粟野博之
Organizer
2019年第80回応用物理学会秋季学術講演会
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