磁化ダイナミクスによる電流生成メカニズムの理論解析

• 研究課題/領域番号: 09J06160
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 原子・分子・量子エレクトロニクス
• 研究機関: 首都大学東京
• 研究代表者: 竹内 祥人 首都大学東京, 大学院・理工学研究科, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2009 – 2011
• 研究課題ステータス: 完了 (2011年度)
• 配分額: 2,100千円 (直接経費: 2,100千円); 2011年度: 700千円 (直接経費: 700千円); 2010年度: 700千円 (直接経費: 700千円); 2009年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
• キーワード: スピントロニクス / マクスウェル方程式 / 磁気モノポール / 逆スピンホール効果 / スピン流 / スピンポンピング効果 / スピンホール効果

研究概要

スピントロニクス研究においてスピン流は本質的な役割を果たしていると考えられている一方で、保存しないという問題を抱えている。電子の持つ電荷とスピンとをつなぐ新たなスピン依存の電磁気学を構成する事は、スピン流に対する理解やスピン依存現象を明確に記述できる可能性を秘めている。
そこで、スピン流由来の現象として広く利用されている、スピン軌道相互作用下でスピン流が電流へと変換される逆スピンホール効果に着目し、電子の運動を理論的に解析する事でスピン電磁気学の考察を行った。スピン流の生成法として代表的な、強磁性体中の磁化の歳差運動を用いて非磁性体にスピン流を流す手法と、スピン偏極した電流を強磁性体から非磁性体に注入する事で拡散的なスピンの流れを誘起する方法の2種類を考慮し、逆スピンホール効果の理解を図った。
詳細に電子の伝導現象を計算する事により、電子スピンに働く有効的な電場および磁場を求め、それら有効場の満たす方程式としてマクスウェル方程式を導出した。すると、磁化の歳差運動を利用した逆スピンホール効果では、磁気モノポールが現れる事が判明した。この磁気モノポールは、磁化の歳差運動が緩和する際に生じるスピン角運動量が、スピン軌道相互作用を通じて軌道角運動量へと変換される過程で生成される。一方で、スピン偏極電流注入による場合には、磁気モノポールの寄与は見られないものの、磁化とスピン軌道相互作用が作る有効磁場により、電子スピンに依存したホール効果が起こっていると解釈できる事がわかった。
どちらの現象にも共通するものとして、磁化構造とスピン軌道相互作用が組み合わさる事で生まれるスピンに働く有効電磁場が本質である。このスピン電磁場はSU(2)の非可換ゲージ場から定義されるものであり、非可換性から磁気モノポールのような新奇物性が現れる。この非可換なスピン電磁気学が今後の発展の鍵を握っていると考えられる。

研究成果

• [雑誌論文] Topological charge pumping effect by the magnetization dynamics on the surface of three-dimensional topological insulators (2012)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki T.Ueda, Akihito Takeuchi, Gen Tatara, Takehito Yokoyama
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: VOL.85 号: 11
  • DOI: 10.1103/physrevb.85.115110
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic monopole in spin pumping systems (2012)
  • 著者名/発表者名: Akihito Takeuchi, Gen Tatara
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: VOL.111 号: 7
  • DOI: 10.1063/1.3673818
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin Damping Monopole (2012)
  • 著者名/発表者名: Akihito Takeuchi, Gen Tatara
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: VOL.81 号: 3 ページ: 033705-033705
  • DOI: 10.1143/jpsj.81.033705
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin current driven by magnetization dynamics in Rashba systems (2011)
  • 著者名/発表者名: Akihito Takeuchi, Gen Tatara
  • 雑誌名: AIP Conference Proceedings 巻: VOL.1399 ページ: 733-734
  • DOI: 10.1063/1.3666586
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin Currents Induced by Nonuniform Rashba-Type Spin-Orbit Field (2011)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Tsutsui, Akihito Takeuchi, Gen Tatara, Shuichi Murakami
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: VOL.80 号: 8 ページ: 084701-084701
  • DOI: 10.1143/jpsj.80.084701
  • 査読あり
• [雑誌論文] スピントロニクス理論の基礎 (その9)磁化とスピン流 (2010)
  • 著者名/発表者名: 竹内祥人, 多々良源, 河野浩, 柴田絢也
  • 雑誌名: 固体物理 巻: VOL.45 ページ: 781-791
• [雑誌論文] Theory of spin transport induced by a temperature gradient (2010)
  • 著者名/発表者名: Yuu Takezoe, Kazuhiro Hosono, Akihito Takeuchi, Gen Tatara
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: VOL.82
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theory of spin relaxation torque in metallic ferromagntets (2010)
  • 著者名/発表者名: Noriyuki Nakabayashi, Akihito Takeuchi, Kazuhiro Hosono, Katsuhisa Taguchi, Gen Tatara
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: VOL.82
  • 査読あり
• [雑誌論文] Diffusive versus local spin currents in dynamic spin pumping systems (2010)
  • 著者名/発表者名: Akihito Takeuchi, Kazuhiro Hosono, Gen Tatara
  • 雑誌名: Physical Review B VOL.81
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin-Charge Conversion via the Rashba Spin-Orbit Interaction in Spin Pumping Systems (2010)
  • 著者名/発表者名: Akihito Takeuchi, Kazuhiro Hosono, Gen Tatara
  • 雑誌名: Journal of Physics : Conference Series VOL.200
  • 査読あり
• [雑誌論文] Current Pumping from Spin Dynamics (2010)
  • 著者名/発表者名: Akihito Takeuchi, Kazuhiro Hosono, Gen Tatara
  • 雑誌名: Journal of Superconductivity and Novel Magnetism VOL.23 ページ: 31-32
  • 査読あり
• [雑誌論文] Perturbation Theory of the Dynamic Inverse Spin Hall Effect with Charge Conservation (2010)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Hosono, Akihito Takeuchi, Gen Tatara
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan VOL.79
  • 査読あり
• [雑誌論文] Novel Current Pumping Mechanism by Spin Dynamics (2009)
  • 著者名/発表者名: Akihito Takeuchi, Kazuhiro Hosono, Gen Tatara
  • 雑誌名: Proceedings of the 9th International Symposium on Foundations of Quantum Mechanics in the Light of New Technology ページ: 69-73
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin current driven by magnetization dynamics in Rashba systems
  • 著者名/発表者名: Akihito Takeuchi, Gen Tatara
  • 雑誌名: AIP Conference Proceedings 巻: (accepted)
  • 査読あり
• [学会発表] 非一様Rashba相互作用下での電場による電流駆動 (2012)
  • 著者名/発表者名: 竹内祥人, 多々良源
  • 学会等名: 日本物理学会第67回年次大会
  • 発表場所: 関西学院大学(兵庫県)
  • 年月日: 2012-03-25
• [学会発表] Control of spin transport in spintronics (2011)
  • 著者名/発表者名: Akihito Takeuchi
  • 学会等名: International Symposium on Nano Science and Functional Materials
  • 発表場所: 首都大学東京(東京都)(招待講演)
  • 年月日: 2011-12-10
• [学会発表] Magnetic monopole in spin pumping systems (2011)
  • 著者名/発表者名: Akihito Takeuchi, Gen Tatara
  • 学会等名: 56th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials
  • 発表場所: Scottsdale(アメリカ)
  • 年月日: 2011-11-02
• [学会発表] スピンダンピングが生み出す磁気モノポール (2011)
  • 著者名/発表者名: 竹内祥人, 多々良源
  • 学会等名: 日本物理学会2011年秋季大会
  • 発表場所: 富山大学(富山県)
  • 年月日: 2011-09-22
• [学会発表] Magnetic Monopole Generated by Spin Damping with Spin-Orbit Coupling (2011)
  • 著者名/発表者名: Akihito Takeuchi, Gen Tatara
  • 学会等名: 26th International Conference on Low Temperature Physics
  • 発表場所: 北京(中国)(招待講演)
  • 年月日: 2011-08-13
• [学会発表] Theory of spin damping monopole (2011)
  • 著者名/発表者名: Akihito Takeuchi, Gen Tatara
  • 学会等名: 6th International School and Conference on Spintronics and Quantum Information Technology
  • 発表場所: くにびきメッセ(島根県)
  • 年月日: 2011-08-03
• [学会発表] Magnetic Monopole in Spin-Orbit System with Magnetization Dynamics (2011)
  • 著者名/発表者名: Akihito Takeuchi, Gen Tatara
  • 学会等名: 5th International Workshop on Spin Currents
  • 発表場所: 仙台国際センター(宮城県)
  • 年月日: 2011-07-27
• [学会発表] スピン軌道相互作用が起こすスピン流のホール効果 (2010)
  • 著者名/発表者名: 竹内祥人
  • 学会等名: 日本物理学会2010年秋季大会
  • 発表場所: 大阪府立大学
  • 年月日: 2010-09-24
• [学会発表] Spin current driven by magnetization dynamics in Rashba systems (2010)
  • 著者名/発表者名: Akihito Takeuchi
  • 学会等名: 30th International Conference on the Physics of Semiconductors
  • 発表場所: COEX, Seoul, Korea
  • 年月日: 2010-07-29
• [学会発表] スピン流の生成と測定方法 (2009)
  • 著者名/発表者名: 竹内祥人
  • 学会等名: 日本物理学会2009年秋季大会
  • 発表場所: 熊本大学
  • 年月日: 2009-09-26
• [学会発表] Spin-Charge Conversion via the Spin-Orbit Interaction (2009)
  • 著者名/発表者名: 竹内祥人
  • 学会等名: International Conference on Magnetism 2009
  • 発表場所: Karlsruhe, Germany
  • 年月日: 2009-07-27
• [学会発表] Theory of the Inverse Spin Hall Effect by Spin Dynamics (2009)
  • 著者名/発表者名: 竹内祥人
  • 学会等名: 20th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces
  • 発表場所: Berlin, Germany
  • 年月日: 2009-07-23