2021 Fiscal Year Annual Research Report
スピン流伝播に関する直接計測法の開発とその学理の総合的発展
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21H01906
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Osaka City University |
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Principal Investigator |
鐘本 勝一 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 教授 (40336756)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | スピン流 / 有機半導体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
従来の電子デバイスでは電流によって情報が運ばれるが，純スピン流は電流が流れない情報伝達が期待できる系として，基礎応用の両方面から注目されている．本課題では、スピン流伝搬の直接計測法を開発し、その学理発展を目的とするが、初年度は、スピン流伝播においてスピン減衰が少ないと期待される有機層を中間層としたスピン流伝搬素子において最適な系を模索し、その特性を調べることに注力した。純スピン流の検出根拠は，逆スピンホール効果(ISHE)を介した起電力の発生や，常磁性体におけるスピン流発生に伴われる，強磁性体層の強磁性共鳴(FMR) スペクトルの線幅増加とされてきた．これまでそのようなスピン流発生系において，常磁性層中のスピンに対して電子常磁性共鳴(EPR) はほとんど適用されてこなかったが，それは，一般に常磁性層側のスピン寿命が短かったためである．強磁性金属/有機半導体層/常磁性金属3層素子において、有機半導体層に導電性ポリマーを選定して用いることで、そのEPR信号が取得できることがわかった。強磁性金属についてはFMRによりスピン物性を評価した結果、素子配置の角度によってFMR線幅が敏感に変化することがわかった。その線幅の精密計測のための実験系を整備し、計測を行ったところ，FMR線幅が強磁性体単層に比べて小さくなるという知見が得られた．さらに，EPR 側の有機層の線幅が3層構造により大きくなる結果を得た。これらの結果から，強磁性金属と有機層界面でのスピン間相互作用によるスピン交換が存在することが明らかになった．また，ISHE 由来の起電力を測定することにより，有機層中でスピン流が存在することを確認した．これらの結果を総合することで，強磁性単層に比べてFMR 線幅が増加しない系でもスピン流が発生するという新しい知見を得ることに成功した。
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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
二重共鳴系の実験設備は既に概ね構築できている。少し装置の故障などもあり、その対応に時間を要したものの、その故障期間に並行して行った研究により、当初の目的の一つである最適な有機層によるスピン流伝搬層の選定を行うことができた。その意味では初年度の進行具合としては概ね予想通りと捉えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は二重共鳴系の実験を本格的に進める。FM1/NM/FM2の3層構造素子に対して、FM1層のFMR励起でスピン流を発生させ、そのスピン流がNM層を通過し、FM2層に到達したことをFM2層におけるFMR信号の変化から実測するFMR二重共鳴計測実験を行う。具体的には、共鳴位置が異なる2種のFM層に対して周波数を調整することで共鳴位置を同じ位置に調整し、一方のFM層励起を行った際の、もう一方のFM層の応答を観測する。前年度行った実験では、二重共鳴を行う実験系が実現されていることは確認できたが、一方の励起を行った際の温度上昇の寄与が信号に重なり、明確な応答が観測できなかった。今回は、NM層材料を変更して実際に二重共鳴の実験を成功させることを目指す。また、①の実験系とは異なり、FM2層を、有機半導体を代表とする常磁性層に変え、その常磁性層の磁気共鳴検出とFM励起を組み合わせた二重共鳴実験の実現も目指す。その実験に向けては、まず、プローブ側のアンテナESR実験系にて、常磁性層の磁気共鳴信号を計測することが必要となる。今回は、その有機半導体層として有機LEDの適用を考える。特に、これまで有機LEDのスピン物性は、そのLED動作を追跡する意味でも重要と知られており、アンテナ計測システムを利用することで、ESR信号の周波数依存が計測でき、LED動作に関する知見も引き出せると期待される。そのような計測の実現も含め、二重共鳴への適用も目指す。
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