Study on multi-scale angular momentum conversion and generation of mechanical rotation from electron spin

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21H04565
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: Nozaki Yukio 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (30304760)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 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)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2024-03-31
• Keywords: 磁気回転効果 / スピントロニクス / 角運動量変換 / 表面弾性波

Outline of Final Research Achievements

The phenomenon of spin-mechatronics, where mechanics and spin transport intersect, is garnering significant attention. We aimed to elucidate the physics of multiscale angular momentum conversion between microscopic and macroscopic systems. First, we successfully quantified the efficiency of angular momentum conversion between lattice rotation and electron spin by analyzing the phase shift of surface acoustic waves propagating through magnetic materials. We also achieved high-quality epitaxial growth of ferromagnetic insulating films, enhancing the efficiency of rotation-to-electron spin conversion. Moreover, we discovered that the coupling between lattice rotation, electron vorticity, and electron spin is independent of the sign of spin-orbit interaction (SOI), confirming the universality of gyromagnetic effects regardless of the dynamical systems.

Free Research Field

磁性物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

磁気回転効果による表面弾性波の位相シフト現象は、力学的回転から磁気、磁気から力学的回転が重畳した二次相互作用であり、本研究により位相シフト量を定量することにより、これまで実証が難しかった磁気から力学的回転への変換とその効率を初めて明らかにすることができた。また、ミクロな系とマクロな系のマルチスケール角運動量変換がSOIにロバストであることを確かめたことは、磁気回転効果が様々な材料で発現することを示唆している。このように磁気回転効果のデバイス実装を現実的にした意義は大きい。