2022 Fiscal Year Final Research Report

Dissipationless spin currents in metallic ambipolar conductors

Research Project

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Project/Area Number	19H02413
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Basic Section 26010:Metallic material properties-related
Research Institution	Saitama University
Principal Investigator	SAKAI Masamichi 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (40192588)
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, 招へい准教授 (50189528) 中村修岡山理科大学, 研究・社会連携センター, 教授 (60749315)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2023-03-31
Keywords	スピン流 / アンビポーラ伝導体 / 電子正孔補償金属 / イットリウム二水素化物 / 希土類遷移金属フェリ磁性体 / Baber散乱 / スピン交換相互作用
Outline of Final Research Achievements	Theoretical and experimental studies were conducted for seeking a new spin-charge coupling mechanisms in a magnetic double-hetero structure F/N/F, where an ambipolar conductor YH2 was used as a nonmagnetic region (N) and a rare-earth transition metal (RE-TM) ferrimagnet with perpendicular magnetic anisotropy was used as a ferromagnetic region (F). The spin-exchange interaction between electrons and holes in YH2 enables us to predict formation of a nondissipative mode with an infinite spin diffusion length in addition to a dissipative one. The present set-up allows us to observe the transverse resistance due to inverse spin Hall effect, which mirrors the magnetization of the RE-TM electrode in the planer Hall-bar structure with a length of 90 μm. This finding supports our prediction of nondissipative spin transport nature.
Free Research Field	スピントロニクス
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	スピン緩和によってギブス自由エネルギーの一部をエントロピーに変えながら拡散するのがスピン流である。エントロピーを排出しないスピン流はあり得ないとするのがこれまでの定説であった。これが必ずしも成立しない事例を、電子と正孔とが互いのスピンを交換しながら、同時に電気伝導に寄与する物質システムに見出した点で学術的意義をもつ。無損失スピン流は、同じ向きに磁化した2つの強磁性金属で挟まれたアンビポーラ伝導体内で発生する。これは断熱されたチャネルを熱流が高温から低温領域に向かって流れるのに相当する。磁気情報の無損失長距離伝送によって、メモリーやロジック回路などの低消費電力化が見込まれる点で社会的意義をもつ。