2021 Fiscal Year Annual Research Report
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20H02599
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
吉川 貴史 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (60828846)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | スピントロニクス / 核スピン / 機械振動 / フォノン / スピンゼーベック効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、機械振動子などのマクロな力学運動からスピン励起・スピン流生成をしたり、逆にスピン励起・スピン流から力学運動を生み出す未開拓の現象群の開拓を行う。さらに、微小振動子の共振周波数に迫る低周波特性をもつ核スピンも取り入れた新しい学術の端緒を見出す。
本年度は、電子スピン系のスピン流を入力として機械振動を引き起こす新しい現象「スピン流体積効果」の実証に成功した（Nature Communications, in press）。試料には、大きなスピンホール効果を示す重金属Pt, W薄膜と高磁歪材料の接合系を用い、重金属層に流した電流方向及びスピンホール角（すなわち金属に生じるスピン蓄積方向）に応じて符号変化する磁性体材料中の体積変化を観測することに成功した。これは磁気体積効果（磁場下において磁性体の体積が変化する現象）のスピン流版といえる。理論計算との比較からスピン流注入による磁化揺らぎの変調とスピン-格子結合が重要な役割を担っていることが見出された。
また、前年度に立ち上げたMnCO3系の電子スピン波・核スピン波に対するスペクトロスコピー技術を金属系も含めたより広範囲な物質群へと拡張させるセットアップの構築を行った。絶縁性のよいモデル物質であるMnCO3とは異なり、表皮効果を無視できない金属系の核スピン波励起の観測と制御は一般に難しく、実際、核スピン波励起を明瞭に観測した例は極めて限られている。我々はスピントロニクス技術で広く利用されているブロードバンドFMR法にもとづく核スピン励起の観測方法を開拓し、金属系物質の核スピン波励起のシグナルを見出すことに成功した。
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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
本年度は、電子スピン系のスピン流を入力として機械振動を引き起こす新しい現象「スピン流体積効果」の実証に成功した（Nature Communications, in press）。これは磁気体積効果（磁場下において磁性体の体積が変化する現象）のスピン流版といえ、スピン流を入力源として、機械振動を誘起したり、磁性体の体積を変調することが可能な新しい現象である。本現象を世界に先駆けて実証できたことは意義深い。また、本年度はMnCO3における核スピンゼーベック効果の論文発表を行った。本研究により、核スピンのもつ角運動量を界面超微細相互作用によって取り出すことが可能であり、また、核スピンが電子スピン波との混成を介して格子系と強く結合していることが見出された。本現象の逆効果を開拓することで、核スピン流に伴うエネルギー流から、格子系を発熱あるいは冷却させることが原理的に可能であり、これは未開拓の核スピン-格子結合現象の存在を意味している。このように電子スピン-核スピンの持つ新しいタイプの角運動量-格子運動結合現象の開拓に向けた道筋が立てられており、順調な進展が得られているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、機械振動子などのマクロな力学運動からスピン励起・スピン流生成をしたり、逆にスピン励起・スピン流から力学運動を生み出す未開拓の現象群の開拓を行う。更に、微小振動子の共振周波数に迫る低周波特性をもちつつ、格子系とも相互作用が期待される核スピン-電子スピン混成状態（核スピン波）も取り入れたアプローチをとる。本年度は（１）CsMnCl3やMn金属系の核スピン励起の観測と制御、（２）電流誘起核スピン-格子結合現象の開拓を行う。
（１）CsMnCl3やMn金属系の核スピン励起の観測と制御
研究代表者らは、2021年にMnCO3における核スピンゼーベック効果を実証し、論文発表を行った。得られた実験結果に基づけば、核スピンのもつ角運動量をコリンハ緩和機構によって直接取り出すことが可能である。また、理論モデルとの比較から、核スピン波が実際に（電子マグノンの仮想励起を介して）格子系と結合していることも見出している。ここで得られた知見をもとに、核スピンと電子系及び格子系との結合がさらに強いと期待される、CsMnCl3試料や現在着手を開始している高核スピン元素Mnを含む金属系を対象として、核スピン波励起の観測と制御を行う。
（２）電流誘起核スピン-格子結合現象の開拓
核スピンゼーベック効果には相反現象の存在が期待される。本効果は、非平衡スピン蓄積下で生じた核スピン角運動量及びエネルギーの流れが、最終的に格子系に伝わり、格子系を発熱あるいは冷却させる現象であり、新しいタイプの核スピン-格子結合現象といえる。本現象の実証に向けて、低温域に高い抵抗感度をもつ測温抵抗体を作製し、必要とされる低温域の温度測定技術を確立する。
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| Remarks |
【解説記事】吉川貴史, 齊藤英治,“スピン流とスピントロニクス”数理科学 697, 60－66 (2021).
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Research Products
(10 results)
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[Journal Article] Paramagnetic spin Hall magnetoresistance2021
Author(s)
Oyanagi Koichi、Gomez-Perez Juan M.、Zhang Xian-Peng、Kikkawa Takashi、Chen Yao、Sagasta Edurne、Chuvilin Andrey、Hueso Luis E.、Golovach Vitaly N.、Bergeret F. Sebastian、Casanova Felix、Saitoh Eiji
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 104
Pages: 134428
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] Observation of nuclear-spin Seebeck effect2021
Author(s)
T. Kikkawa, D. Reitz, H. Ito, T. Makiuchi, T. Sugimoto, K. Tsunekawa, S. Daimon, K. Oyanagi, R. Ramos, S. Takahashi, Y. Shiomi, Y. Tserkovnyak, and E. Saitoh
Organizer
第82回応用物理学会秋季学術講演会
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[Presentation] 核スピンに基づくゼーベック効果の観測2021
Author(s)
吉川貴史, Derek Reitz, 伊藤宏陽, 巻内崇彦, 杉本宜陽, 恒川翔, 大門俊介, 大柳洸一, Rafael Ramos, 高橋三郎, 塩見雄毅, Yaroslav Tserkovnyak, 齊藤英治
Organizer
日本物理学会2021年秋季大会
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[Presentation] Observation of nuclear-spin Seebeck effect2021
Author(s)
T. Kikkawa, D. Reitz, H. Ito, T. Makiuchi, T. Sugimoto, K. Tsunekawa, S. Daimon, K. Oyanagi, R. Ramos, S. Takahashi, Y. Shiomi, Y. Tserkovnyak, and E. Saitoh
Organizer
The 5th Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics, and the 4th Symposium on International Joint Graduate Program in Materials Science
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