2013 Fiscal Year Annual Research Report
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24244051
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
齊藤 英治 東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 教授 (80338251)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
前川 禎通 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 先端基礎研究センター, センター長 (60005973)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | スピントロニクス |
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| Research Abstract |
絶縁体スピントロニクスの物理の基礎を形成し、環境負荷の小さな新しいスピン利用技術の基盤を築くことを目指した研究を行った。
強磁性絶縁体/金属構造で生じる熱流-スピン流生成現象であるスピンゼーベック効果は、界面でのスピン交換が重要な役割を果たしている。しかしながら、強磁性絶縁体/金属界面の構造評価とスピン特性評価は連携して行われてこなかった。我々は、スピンゼーベック効果の効率改善を目的として、界面が原子レベルで制御された強磁性絶縁体/金属構造を作製し、界面でのスピン伝導度を高めることに成功した。
これまで、界面でのスピン物性の評価は、マイクロ波や熱を用いた手法しか存在しなかった。これらの評価手法では、煩雑な上に不確定なパラメータも存在し、異なる構造の評価において問題が生じることがあった。齊藤グループは、強磁性絶縁体/金属界面を有する構造におけるスピン輸送現象の物理を精査することで、界面でのスピン交換に基づく新奇磁気抵抗効果を発見するに至り、界面スピン特性の簡素な評価手法の確立に成功した。
我々は、前年度までに強磁性絶縁層を塗布工程によって形成することで、大面積化が可能となるスピンゼーベック素子を実現した。一方で、スピン流を媒介とした発電で不可欠なスピン流-電流変換を担う層は、塗布工程によっては作製が実現されていなかった。今年度は、塗布工程によって形成可能で、かつスピン流-電流変換現象を示す有機物の探索にも成功し、スピンゼーベック素子の全層を真空不要の低コストプロセスによって形成可能にした。これは、スピン熱電素子の応用へと向けた大きな一歩である。
また、同時期に特定の有機物が電流を通さず、スピン流のみを通すことを明らかにした。
これらの結果を複数の論文にまとめ、Nature Materials、Nature Physics、Physical Review Letters誌等に掲載された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
初期の目標は十分に達成されたのみならず、次年度予定していた交流音響スピンポンプの測定も開始することができ、研究をやや前倒しで行っている状況である。
また、塗布工程によって形成可能で、かつスピン流-電流変換現象を示す有機物の発見（Nature Materials誌に論文掲載）や、電流を通さずスピン流のみを通す有機物の発見（Nature Physics誌に論文掲載）、界面でのスピン交換に基づく新奇磁気抵抗効果の発見（Physical Review Letters誌に論文掲載）など、想定していなかった新しい発見も相次いだ。
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| Strategy for Future Research Activity |
絶縁体中のスピン流と素励起相互作用の基礎学理が構築されることは、多様で制御性の高い絶縁体中の素励起に基づく新しいスピントロニクス技術群を作れることを意味する。本研究の仕上げとして、この未知のデバイス概念のプロトタイプ作成を行う。
表面プラズモンによるスピン流光生成、交流音響スピンポンプ、音波によるスピン流変調素子を試作する。前年までの研究により評価されたパラメータにより、適した物質、形状が特定されるため、このデータを用いて電子線リソグラフィー法により音響トランスデューサー、プラズモングレーティングカプラーを作製し、応募者らが得意とするスピンホール効果を用いてスピン波スピン流を生成・検出することで、デバイス動作を検証・探求する。特に注意を払う点はスピン流路の形状とスピン波モードの設計であり、音波とグレーティングカプラーと強い結合が得られるようにする。これにより、絶縁体スピントロニクスを応用へと繋げる土台が確立されたことになる。
なお、フォノンについてはプリズムとコム型トランスデューサー、プラズモンについては微粒子とグレーティングといった複数の構造を作りこむ手法を併用し、リスクを分散させる。
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[Journal Article] Spin Hall Magnetoresistance Induced by a Non-Equilibrium Proximity Effect2013
Author(s)
H. Nakayama, M. Althammer, Y.-T. Chen, K. Uchida, Y. Kajiwara, D. Kikuchi, T. Ohtani, S. Geprägs, M. Opel, S. Takahashi, R. Gross, G. E. W. Bauer, S. T. B. Goennenwein, E. Saitoh
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Journal Title
Physical Review Letters
Volume: 110
Pages: 206601_1-5
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Unidirectional spin-wave heat conveyer2013
Author(s)
T. An, V. I. Vasyuchka, K. Uchida, A. V. Chumak, K. Yamaguchi, K. Harii, J. Ohe, M.B. Jungfleisch, Y. Kajiwara, H. Adachi, B. Hillebrands, S. Maekawa, and E. Saitoh
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Journal Title
Nature materials
Volume: 12
Pages: 549-553
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Quantitative study of the spin Hall magnetoresistance in ferromagnetic insulator/normal metal hybrids2013
Author(s)
M. Althammer, S. Meyer, H. Nakayama, M. Schreier, S. Altmannshofer, M. Weiler, H. Huebl, S. Gepraegs, M. Opel, R. Gross, D. Meier, C. Klewe, T. Kuschel, J.-M. Schmalhorst, G. Reiss, L. Shen, A. Gupta, Y.-T. Chen, G.E.W. Bauer, E. Saitoh, S.T.B. Goennenwein
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 87
Pages: 224401_1-1
DOI
Peer Reviewed
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