2014 Fiscal Year Research-status Report
トポロジカルなスピンテクスチャを利用した巨大スピン起電力の観測
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26610109
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| Research Institution | The Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
関 真一郎 独立行政法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, ユニットリーダー (70598599)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | スピントロニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、粒子性を伴った渦状のスピン構造体「スキルミオン」の共鳴振動を駆動することで、量子力学的なベリー位相に由来して伝導電子が感じる創発電場（スピン起電力）を実験的に検出することを目的としている。こうした創発電場は、スピンテクスチャの磁気変調周期が短いほど大きくなるとされ、数十ナノメートル程度の直径を伴ったスキルミオンは、巨大なスピン起電力の観測に理想的な系であると考えられる。
スピン起電力の観測のためには伝導電子を伴った金属材料を測定対象とする必要があるが、従来、振動磁場によるスキルミオンの共鳴駆動は絶縁体材料のCu2OSeO3に対してのみ報告がなされていた。このため、スキルミオンを伴う金属材料であるB20合金を新たな測定対象として、マイクロ波吸収分光の実験を行い、金属系でもスキルミオンの共鳴振動を駆動できることを明らかにした。また、二組のマイクロ波アンテナを組み合わせたデバイス構造を新たに用意することで、この金属材料中におけるスピン波の伝播特性を詳細に評価することに成功し、(1)スピン波の減衰長が概ね10μm程度であること、(2)結晶構造の反転対称性の破れに由来してスピン波伝播の非相反性が観測できること、の２点を発見した。後者は、スピン起電力とは直接関係はないものの、いわばスピン波（スピン流）のダイオード効果に相当する現象であり、応用展開の可能性も期待できる極めて重要な発見である。上記の一連の実験から、B20合金における磁気的な相互作用のパラメータが全て求まったため、スピン起電力の検出に向けた適切なデバイス構造を設計し、現在実際に観測を試みている状況である。
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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
前項でも述べたとおり、現在までに(1)スキルミオンを伴う金属材料であるB20合金における磁気共鳴の駆動、(2)詳細なスピン波分光測定を通じた物質中の磁気的な相互作用パラメータの全同定、(3)結晶構造の反転対称性の破れに由来したスピン波伝播の非相反性の観測、の３点の成果が得られている。最終目標としているスピン起電力の観測にはまだ至っていないが、これは一般に金属材料ではスピン波の減衰長等の情報を事前に把握しないと最適なデバイスサイズの見積りが困難であること、金属材料の場合にはアンテナや電極との電気的なショートを避けるため、適切な絶縁レイヤーの作成法の確立が必要であったこと、に起因している。初年度でこうした情報やノウハウが全て揃ったことから、収束イオンビーム法による微細試料の切り出し・リソグラフィーを利用したアンテナ構造の設計を行い、現在実際にスピン起電力の観測を試みている状況である
また、上記の研究の過程で観測されたスピン波伝播の非相反性は、スピン波（スピン流）のダイオード効果に相当する現象であり、スピン起電力の観測とは直接関係はないものの、今後のさらなる研究の展開が期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の展開としては、まず現在作成しているデバイス構造を用いて、実際に金属系のスキルミオン材料であるB20合金に対し、共鳴振動を駆動しながら、スピン起電力の検出を試みる。スピン起電力の大きさ自体は、十分に観測可能な値であると考えられるものの、同時に交流磁界に伴う誘導起電力を観測してしまう可能性もあるため、スキルミオン相と別の磁気相との比較、あるいは磁場方向とマイクロ波の振動磁場成分の組み合わせを変えることで選択則を調べる、といった対策を取ることを検討している。また、現在は主にB20合金の一種であるFeGeを測定対象としているが、その他のB20合金や、最近発見された別の金属スキルミオン材料に対しても、同様の計測を行い、スキルミオンのサイズとスピン起電力の大きさの間にどのような相関関係があるのか明らかにすることを試みたい。
また、今回新たに発見できたスピン波のダイオード効果については、より微細なアンテナパターンを用いることで原理的には100%まで整流効率を高めることが可能であると考えられ、こうした展開も考慮して研究を進めていきたい。
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| Causes of Carryover |
測定対象の物質のパラメータを正確に評価してから必要なマイクロ波関連部品をの仕様を策定する必要があり、この作業が予定よりも若干遅延したため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
主にマイクロ波関連の部品の購入に使用する（ケーブル、コネクタ、サーキュレータなど）。
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