スピンゼーベック効果により変調される磁化ダイナミクスの理論的研究

• 研究課題/領域番号: 14J04277
• 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: ナノ構造物理
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 大沼 悠一 東北大学, 大学院理学研究科, 特別研究員(DC2)
• 研究期間 (年度): 2014-04-25 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 1,900千円 (直接経費: 1,900千円); 2015年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2014年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
• キーワード: スピンゼーベック効果 / 磁化ダイナミクス / スピン流 / スピン波 / 強磁性共鳴 / 補償効果 / 非平衡グリーン関数法 / 熱流

研究実績の概要

電子のスピン角運動量の流れであるスピン流はジュール熱を発生せずに伝搬できるため、エネルギー損失の少ない情報伝達を可能とすると考えられており、その効率的な生成方法の確立に注目が集まっている。その方法の１つとして知られるスピンゼーベック効果は、強磁性絶縁体と金属の接合系に温度勾配を印加すると、金属にスピン流が生成される現象を指し、熱流による磁化ダイナミクスがスピン流生成の起源とされている。スピンゼーベック効果によるスピン流生成効率を解明するためには、スピンゼーベック効果と磁化ダイナミクスとの間の変換効率を解明する必要がある。
以上の背景から、研究課題である「スピンゼーベック効果により変調される磁化ダイナミクスの理論的研究」を遂行するため、採用2年度は、前年度に行った「スピンゼーベック効果により変調された強磁性共鳴の線幅の微視的な導出」を更に発展させ「スピンゼーベック効果と磁化ダイナミクスの相互作用定数の微視的導出」を非平衡グリーン関数法に基づいて行った。その結果、スピンゼーベック効果と磁化ダイナミクスの相互作用定数には界面での相互作用が含まれることが明らかとなった。
またこの結果を元に、磁化の消失現象である補償効果を示すフェリ磁性絶縁体と金属の接合系において観測されたスピンゼーベック効果の2度の符号反転の理論的説明を試みた。この系では複数の磁性イオンが存在するため、磁化ダイナミクスを表すスピン波が2種類存在し、金属との界面でも異なる相互作用を示すため、スピンゼーベック効果が競合する可能性がある。本研究によって、実験で観測された2度の符号反転がそれぞれ補償効果と2つのスピン波の競合という観点から理論的に説明された。
以上の研究内容は国際会議や国内会議で発表し、Physical Review B誌とNature Communications誌から論文として出版された。

現在までの達成度 (段落)

27年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

27年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Walther-Meissner-Institut/Johannes Gutenberg-University Mainz/Materials Science in Mainz(Germany)
• [国際共同研究] Delft University of Technology(Netherlands)
• [雑誌論文] Origin of the spin Seebeck effect in compensated ferrimagnets (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Geprgs, A. Kehlberger, F. D. Coletta, Z. Qiu, E. J. Guo, T. Schulz, C. Mix, S. Meyer, A. Kamra, M. Althammer, H. Huebl, G. Jakob, Y. Ohnuma, H. Adachi, J. Barker, S. Maekawa, G. E. W. Bauer, E. Saitoh, R. Gross, S. T. B. Goennenwein, and M. Klaeui
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 7 号: 1 ページ: 10452-10452
  • DOI: 10.1038/ncomms10452
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Magnon instability driven by heat current in magnetic bilayers (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Ohnuma, H. Adachi, E. Saitoh, and S. Maekawa
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 92 号: 22 ページ: 224404-224404
  • DOI: 10.1103/physrevb.92.224404
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] フェリ磁性体におけるスピンゼーベック効果と符号反転 (2015)
  • 著者名/発表者名: 大沼悠一，安立裕人，齊藤英治，前川禎通
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学（大阪府・吹田市）
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] Two sign changes of spin Seebeck effect in compensated ferrimagnets (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuichi Ohnuma, Hiroto Adachi, Eiji Saitoh, Sadamichi Maekawa
  • 学会等名: ICM 2015
  • 発表場所: Barcelona(Spain)
  • 年月日: 2015-07-05
  • 国際学会
• [学会発表] Two sign changes of spin Seebeck effect in compensated ferrimagnets (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuichi Ohnuma, Hiroto Adachi, Eiji Saitoh, Sadamichi Maekawa
  • 学会等名: Workshop on ThermoSpin Effects
  • 発表場所: Zaragoza(Spain)
  • 年月日: 2015-07-03
  • 国際学会
• [学会発表] スピンポンピングの熱流による操作の理論 (2015)
  • 著者名/発表者名: 大沼悠一、安立裕人、齊藤英治、前川禎通
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学 (東京)
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] Mechanism of the two sign changes in spin Seebeck effect of a compensated ferrimagnet (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuichi Ohnuma, Hiroto Adachi, Eiji Saitoh, Sadamichi Maekawa
  • 学会等名: APS March meeting
  • 発表場所: San Antonio (USA)
  • 年月日: 2015-03-02 – 2015-03-06
• [学会発表] 三層構造におけるスピンポンピングの理論研究 (2014)
  • 著者名/発表者名: 大沼悠一、安立裕人、齊藤英治、前川禎通
  • 学会等名: 日本物理学会2014年秋季大会
  • 発表場所: 中部大学 (愛知)
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [学会発表] Enhanced dc spin pumping into a fluctuating ferromagnet near Tc (2014)
  • 著者名/発表者名: Yuichi Ohnuma, Hiroto Adachi, Eiji Saitoh, Sadamichi Maekawa
  • 学会等名: Spin Caloritronics Ⅵ
  • 発表場所: Irsee (Germany)
  • 年月日: 2014-07-16 – 2014-07-18
• [学会発表] Spin Seebeck effect in antiferromagnets and compensated ferrimagnets (2014)
  • 著者名/発表者名: Yuichi Ohnuma, Hiroto Adachi, Eiji Saitoh, Sadamichi Maekawa
  • 学会等名: Spin Mechanics 2
  • 発表場所: Sendai (Miyagi)
  • 年月日: 2014-06-21 – 2014-06-24