2021 Fiscal Year Annual Research Report
スピン流駆動型アインシュタイン・ドハース効果の理論構築と実証実験研究
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20H01863
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
松尾 衛 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 客員研究員 (80581090)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
針井 一哉 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 主任研究員 (00633900)
中堂 博之 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究副主幹 (30455282)
成島 哲也 分子科学研究所, メゾスコピック計測研究センター, 助教 (50447314)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | スピンメカニクス / アインシュタイン・ドハース効果 / バーネット効果 / 円二色性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
アインシュタイン・ドハース効果を用いたナノ回転子の微視的理論構築および磁性金属薄膜に励起した表面弾性波中のバーネット効果を用いた起電力発生機構の理論提案を行い、ともにPhysical Review Lettersに論文が掲載された。回転核磁気共鳴においては、信号検出器であるコイルそのものを回転させる手法であるコイル回転法を用いて核四重極共鳴スペクトラムを測定したところ、回転の自由度に応じて、バーネット磁場、回転ドップラー効果、ベリー位相に起因した6種類の信号を得た。定式化する事に成功し、バーネット効果と回転ドップラー効果が異なることと、バーネット磁場とベリー位相の同等性を明確に示した。これらの成果はPhysical Review Bに論文が掲載され、国際会議で発表した。さらに、ダイヤモンドNV発光中心を用いたアインシュタイン・ドハース効果とバーネット磁場測定の実験を進めた。アインシュタイン・ドハース効果については、NV発光中心が含まれるナノダイヤモンドを光ピンセットで固定し、スピン制御に伴う回転を測定する実験系の構築を行った。バーネット磁場測定では、表面弾性波の回転が作るバーネット磁場のダイヤモンドNVによる測定を行うための、面内回転磁場付き蛍光顕微鏡システムをほぼ完成させた。加えてNV発光中心を高濃度に含有するダイヤモンド基板上にピエゾ効果を発現させるZnOを成膜する条件を得、くし形電極の予備実験を行った。
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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
研究実績の概要で述べた、アインシュタイン・ドハース効果を用いたナノ回転子の理論では、磁気回転効果において初めて量子マスター方程式を用いた本格的な微視的理論構築を行い、これが高く評価されPRL誌掲載に至った。また表面弾性波を励起した強磁性金属薄膜に生じるバーネット効果によって、これは従来のスピン起電力に不可欠とされていた複雑なデバイス構造を不要とするスピン起電力発生が可能であることを示し、やはり高く評価された結果PRL誌掲載に至った。ともに磁気回転効果の理論研究に大きな進展をもたらす結果である。同様に、回転核磁気共鳴において6つの回転NQRスペクトラムの定式化に成功し、論文として出版できたことは大きな進捗である。昨年度の本研究課題予算で購入した真チャンバーに、別予算で購入した有機蒸着源を設置した。これにより、マグネトロンスパッタと有機蒸着による成膜を試料の大気開放なしに行えるようになり、本研究課題の当初目的の一つである核スピンからのスピン流生成を実証する実験が実施できるよう実験環境を整備できた。ダイヤモンドNV中心のスピン回転効果においては、ナノダイヤモンドのアインシュタイン・ドハース効果測定を行うための予備実験としてNV励起光を入射可能な光ピンセットシステムの構築を進めた。また、表面弾性波のバーネット磁場測定においては、ピエゾ効果がないダイヤモンドで圧電効果を使った表面波励起を行うため、X線回折測定でc軸配向が確認できるクオリティのZnOの薄膜をダイヤ基板上に成膜する条件を得、この基板上にTaでくし形電極が微細加工できることを確認した。現時点ではネットワークアナライザによる表面波導入予備実験では明瞭な信号を観測することはできていない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度までに構築した、磁気回転効果を用いたナノモーターの基礎理論、および磁気回転効果に伴う磁性ナノ粒子の角運動量ゆらぎの基礎理論に基づき、現実的な系の設計指針を与えるような理論計算を行う。回転核磁気共鳴においては、昨年度に出版したPhysical Review Bの論文の内容をさらに発展させ、NMRにおいてコイル回転法を応用し、磁場と回転方向の角度依存性を測定したところ、バーネット効果とベリー位相が競合した新規な量子状態が見つかったので、これを論文として出版することを目指す。また、磁性流体のバーネット効果において、試料の回転数よりも粒子の回転数の方が倍以上大きくなっていることが明らかとなったので、これを論文にすることを目指す。ナノダイヤモンドを使ったアインシュタイン・ドハース効果測定においては、測定系の構築が進んだため、実際のNV含有ナノダイヤを使った実験を進める。表面弾性波バーネット磁場検出においては、くし形電極のサイズ、電極間距離を最適化することで電極の性能向上を図るとともに、系統的な測定によってデータの収集を目指す。
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