2012 Fiscal Year Annual Research Report
スピン偏極陽電子消滅法の基礎構築と新奇スピン現象の解明
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24310072
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
河裾 厚男 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, 研究主幹 (20354946)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
前川 雅樹 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, 研究副主幹 (10354945)
深谷 有喜 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, 研究副主幹 (40370465)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 陽電子消滅 / スピン偏極 / スピントロニクス / 陽電子ビーム / 表面磁性 / 電流誘起スピン蓄積 / 第一原理計算 / 電子運動量分布 |
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| Research Abstract |
本研究課題では、陽電子消滅法のスピントロニクス分野への応用を進めるために、スピン偏極陽電子消滅(SP-PAS)法の基礎を構築し、これを各種のスピン現象の解明に適用することを目標に掲げている。
スピン偏極陽電子消滅法の基礎構築では、垂直磁化させた3d系強磁性体(Fe,Co,Ni)及び4f系強磁性体(Gd,Tb,Dy)に68Ge-68Ga線源から放出されるスピン偏極陽電子を打ち込み、電子運動量分布の磁場反転効果を観測した。その結果、何れの強磁性体についても、電子運動量分布が明瞭な磁場反転効果を示すことが明らかになった。3d系強磁性体の場合、磁場反転効果はNi→Co→Feの順に大きくなり、その大きさの相対比が各物質の磁化のそれと良く一致することが知られた。これは、磁場反転効果が強磁性の起源である3d4s電子のスピン偏極状態を反映していることを示している。実際に、第1原理電子状態計算コードにより、強磁性分裂した電子バンドを基に運動量分布を計算したところ、実験で得られた磁場反転効果が説明できることが確認された。4f系強磁性体の場合も電子運動量分布の磁場反転効果が観測されたが、それは当初予想していた4f電子それ自身のスピン偏極によるものではなく、外殻軌道にある5d及び6s電子の弱いスピン偏極によることが判明した。5d6s電子のスピン偏極は、RKKYと呼ばれる間接交換相互作用として説明できる。第1原理計算の結果、陽電子はクーロン反発力により4f電子に近づき難いため、外殻の5d6s電子と高い頻度で消滅し、そのスピン偏極効果が電子運動量分布の磁場反転効果として観測されることが分かった。4係強磁性体の磁場反転効果は、各物質のキュリー点を境にして、それ以上で消失することが知られた。以上の結果は、スピン偏極陽電子消滅法が強磁性分裂したバンド構造の研究に有用であることを示している。
スピン偏極陽電子消滅法の有力な応用課題として、白金表面の電流誘起スピン蓄積の検出実験を行った。電流通電下においた白金の表面に横偏極した陽電子を打ち込んだ際に形成される陽電子と電子の束縛状態(ポジトロニウム)の三光子消滅の電流反転効果を観測した。その結果、三光子消滅強度が電流反転に伴い変化すること、及び、その変化量が通電軸と陽電子のスピン偏極軸の関数となっていることが知られた。得られた結果は、白金表面内で電子スピンが偏極しているとして解釈できることから、実験結果を理論に基づき解析したところ、電子スピン偏極率が数%に及んでいることが示唆された。以上の結果から、今後、材料による依存性や膜厚による違いを調べる必要がある。
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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
陽電子消滅法が強磁性分裂したバンド構造の研究には不向きであるとの大方の予想に反して、本研究では電子運動量分布の磁場反転効果を明瞭に観測することができ、さらに物質依存性や温度依存性も明らかになった。重金属表面の電流誘起スピン蓄積効果は、巨大スピンホール効果など関連して精力的に研究されているが、表面に蓄積した電子スピンを検出できる手法は限られている。本研究の結果は、スピン偏極陽電子消滅がその一手段となる可能性が示唆する。
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| Strategy for Future Research Activity |
全体計画には大きな変更はない。スピン偏極陽電子消滅法の基礎構築では単結晶を使った実験や、強磁場中での消滅寿命測定などを進める。同様の手法をハーフメタル系金属のバンド構造の研究に適用する。表面ポジトロニウムを用いた電子スピンの検出では、通常の強磁性体を用いた検証実験を行うとともにより新規的な系に進む。
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