2020 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, 研究・社会連携センター, 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 / 電子-正孔補償金属 / 電子-正孔交換相互作用 / Gibbs-Duhem関係式 / Y / YH2 |
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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し、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している。
理論的な側面から分かってきたことは、電子スピンと正孔スピンとの間に、熱力学的な相関として、Gibbs-Duhem関係式が成立することによって、電子と正孔が強く結合したスピン輸送モードが２種類生成されると言うことである。このときに、(i) 正孔のスピン緩和時間と電子とのそれが等しい、(ii) 正孔スピンの偏極率と電子のそれとが等しい等のいくつかの仮定をすると、結合モードのスピン拡散長が通常の金属に比べて、桁違いに大きくなることが予測できる。第２年目(2020年度)以降では、このような現象を微視的観点から調査している。それは、電子と正孔間に直接交換相互作用が生じて、電子-正孔衝突時にスピン反転が起こる過程を考慮した計算である。現在、より適切な計算方法が分かった所であり、第３年目にこれを完成させる。
一方、実験的側面から分かってきたことは、希土類金属のYおよびその二水素化物YH2では、室温下においてすら、スピン拡散長が少なくとも50μmに達していると思われることである。2020年度に取り組んだスピンを非局所的に注入した測定でも同様な結果が得られている。通常の非磁性金属では、大きな場合でも、室温で高々１μmである。一見、前述した計算結果と定性的に一致すると考えられるが、今後、ハンル効果などを用いた、より直接的なスピン緩和測定が必要である。また、2020年度では、Yb単体が電子-正孔補償金属であることが磁気輸送測定から確認できたので、今後、YやYH2以外の両極性伝導体（電子-正孔補償金属）に対する実験研究に着手する。
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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
（１）両極性伝導体では、電子および正孔スピン流から構成した反平行スピン流の拡散長が正孔と電子との電荷偏極度の平方根に反比例することなどが初年度（2019年度）までの計算によって明らかになった。後者の性質は、計算において、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年目（2020年度）では、この仮定の妥当性を微視的観点から、理論的に検討した。両極性伝導体である多くの補償金属がフェルミ液体である点に注意すると、電子と正孔との衝突が無視できない。この衝突時に、電子と正孔の交換相互作用がはたらくとき、正孔スピンの反転時間と電子とのそれが等しいことが計算によって示すことが出来た。
（２）磁気電気輸送係数（磁気抵抗とホール抵抗）を、平行スピン流と反平行スピン流を考慮して計算した。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した。その結果、磁気抵抗とホール抵抗に対しては、反平行スピンの方が寄与することが明らかになった。
（３）スピン偏極電流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）の計算結果と比較し、スピン流拡散長の評価を両極性伝導体YH2に対して試みた。その結果、それは少なくとも50μmに及ぶことが分かった。両極性伝導体として、水素化を伴わないYを使って同様の測定を行い、そのスピン拡散長がYH2のそれより大きいことを示唆する結果が得られた。
（４）上記（３）の結果を検証するためにYおよびYH2に対して、電流注入の伴わない非局所スピン注入法を用いて、スピン蓄積信号の測定を行った。スピン注入から約40μm離れた電極において、明確なスピン蓄積信号が観測され、電流注入型ホールバー法で評価されたスピン拡散長が妥当であることが検証できた。
（５）Yb単体が電子-正孔補償金属であることが磁気輸送測定から確認できた
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| Strategy for Future Research Activity |
(１）第２年目(2020年度）では、電子と正孔が互いに衝突して、スピンを互いに交換する散乱過程に注目した。これはスピン反転を伴うBaber散乱、あるいは 、p型半導体で知られたBir-Aronov-Pikus機構の金属版とも言える。これによって、これまでの計算においてその場しのぎ的に使っていた、電子のスピン緩和時間と正孔とのそれが等しいとする仮定が、自動的に保証されることが分かった。第３年目（2021年度）では、このスピン反転を伴う電子-正孔散乱をスピン緩和の主要因子と考えて、スピン交換相互作用をつうじて連携し合う電子－正孔スピン輸送の特長をボルツマン輸送方程式にもとづいて理論的に明らかにする。
（２）ホールバー法にもとづくスピン偏極電流注入下における比抵抗およびホール効果測定を、第３年目（2021年）では、複数の異なる温度下で行う。特に、数10 Kの温度下では、Baber散乱が運動量緩和の主要因となるので、運動緩和時間とスピン緩和時間が同程度になる。したがって、上記（1)の理論計算の仮定（運動量緩和時間<<スピン緩和時間）が成立しなくなり、理論計算の予測と異なる測定結果が期待され、上記（１）理論計算の妥当性を検証することが出来る。
（３）ハンル効果を用いてスピン拡散長の直接測定を行う。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対して垂直方向に印加して、注入スピンを歳差運動させて検出磁性電極によってハンル信号を測定し、スピン拡散長を評価する。このとき、スピン注入源の磁化容易方向が、磁性膜面直の場合と面内の場合の両方について実験を行う。
（４）調査対象はこれまで専らYとYH2であったが、第3年目（2021年度）では、Yより原子番号の小さいSc、ScH2、およびC（グラファイト）に、また原子番号の大きい材料としてYbおよびPtに注目する。
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