スピンゼーベック効果とマグノンダイナミクスの相関解明に関する研究

• 研究課題/領域番号: 15J08026
• 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: 物性II(実験)
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 吉川 貴史 東北大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2015-04-24 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 3,400千円 (直接経費: 3,400千円); 2017年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円); 2016年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円); 2015年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円)
• キーワード: スピンゼーベック効果 / マグノン / マグノン-フォノン混成 / 熱的スピン流生成機構 / 熱電変換能向上 / 多層膜構造

研究実績の概要

本研究は、磁性体中のマグノンやフォノンなどの素励起とスピンゼーベック効果(SSE)との関係性を解明することを主たる目的する。本現象の発現メカニズムに対する理解が深まり、SSE素子の熱電変換能を向上させるための指針が得られれば、SSE型熱電変換デバイスの実現及び、今後の環境調和型の発電技術の発展に貢献できると考えられる。
平成29年度の主な成果は、以下の2点である。

(1) フォノン分散を変化させたBi置換YIG (BixY3-xFe5O12)試料における測定により、SSEにおけるフォノン分散関係の持つ役割がより明確となった: 昨年度の研究において、Y3Fe5O12 (YIG)のマグノンとフォノンの分散関係の相対位置関係を反映してSSEに異常なピーク信号が現れることを見出し、この現象は長寿命なマグノン-フォノン混成粒子によって発現していることを明らかにした。本研究では、YIGのフォノン速度を小さくできる Bi置換に伴うSSEにおけるピーク信号の磁場値の変化を系統的に調べた。Bi置換量の増大に伴いピーク信号が低磁場側にシフトするという結果が観測され、この結果が、フォノン分散の変化の観点から解釈できるということを明らかにした。本研究により、SSEにおけるフォノンの持つ役割がさらに明確になり、SSEの効率を改善するという観点においても良い前進となった。

(2) 強磁場・低温下のYIG/Pt接合のXMCD研究を通じて、Ptに非自明な常磁性モーメントが生じていることを明らかにした: Y3Fe5O12-白金Pt接合における強磁場(5 T)・低温(5.5 K)下のXMCD研究により、本条件下でPtに大きな常磁性モーメントが誘起されることを明らかにした。SSEなどのスピン流現象はすべて界面でのスピン変換を利用しており、ここで得られた知見は今後、スピン変換現象を理解する上で有用であるといえる。

現在までの達成度 (段落)

29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

29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] Fudan University/Beijing Normal University(China)
• [国際共同研究] Delft University of Technology/University of Groningen(オランダ)
• [国際共同研究] Johannes Gutenberg-Universitat Mainz/University of Konstanz(Germany)
• [国際共同研究] Delft University of Technology/Utrecht University/University of Groningen(オランダ)
• [国際共同研究] Universidad de Zaragoza(Spain)
• [国際共同研究] Johannes Gutenberg-Universitat Mainz(Germany)
• [国際共同研究] Universidad de Zaragoza(Spain)
• [国際共同研究] Johannes Gutenberg-Universitat Mainz(Germany)
• [国際共同研究] Bielefeld University(Germany)
• [国際共同研究] INRIM(Italy)
• [雑誌論文] Magnon detection using a ferroic collinear multilayer spin valve (2018)
  • 著者名/発表者名: J. Cramer, F. Fuhrmann, U. Ritzmann, V. Gall, T. Niizeki, R. Ramos, Z. Qiu, D. Hou, T. Kikkawa, J. Sinova, U. Nowak, E. Saitoh, and M. Kläui
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 8 号: 1 ページ: 1089-1089
  • DOI: 10.1038/s41467-018-03485-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The bimodal distribution spin Seebeck effect enhancement in epitaxial Ni0.65Zn0.35Al0.8Fe1.2O4 thin film (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Wang, D. Hou, T. Kikkawa, R. Ramos, K. Shen, Z. Qiu, Y. Chen, M. Umeda, Y. Shiomi, X. Jin, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 112 号: 14 ページ: 142406-142406
  • DOI: 10.1063/1.5022195
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Probing length-scale separation of thermal and spin currents by nanostructuring YIG (2017)
  • 著者名/発表者名: Miura Asuka、Kikkawa Takashi、Iguchi Ryo、Uchida Ken-ichi、Saitoh Eiji、Shiomi Junichiro
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 1 号: 1 ページ: 014601-014601
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.1.014601
  • 査読あり
• [雑誌論文] Detection of induced paramagnetic moments in Pt on Y3Fe5O12 via x-ray magnetic circular dichroism (2017)
  • 著者名/発表者名: Kikkawa Takashi、Suzuki Motohiro、Okabayashi Jun、Uchida Ken-ichi、Kikuchi Daisuke、Qiu Zhiyong、Saitoh Eiji
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 95 号: 21 ページ: 2144161-7
  • DOI: 10.1103/physrevb.95.214416
  • 査読あり
• [雑誌論文] Antiferromagnetic anisotropy determination by spin Hall magnetoresistance (2017)
  • 著者名/発表者名: Wang Hua、Hou Dazhi、Qiu Zhiyong、Kikkawa Takashi、Saitoh Eiji、Jin Xiaofeng
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 122 号: 8 ページ: 083907-083907
  • DOI: 10.1063/1.4986372
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Nonlocal magnon-polaron transport in yttrium iron garnet (2017)
  • 著者名/発表者名: L. J. Cornelissen, K. Oyanagi, T. Kikkawa, Z. Qiu, T. Kuschel, G. E. W. Bauer, B. J. van Wees, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 96 号: 10 ページ: 104441-104441
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.104441
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Temperature dependence of the spin Seebeck effect in [Fe3O4/Pt]n multilayers (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Ramos, T. Kikkawa, A. Anadon, I. Lucas, K. Uchida, P. A. Algarabel, L. Morellon, M. H. Aguirre, E. Saitoh, and M. R. Ibarra,
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 7 号: 5 ページ: 055915-055915
  • DOI: 10.1063/1.4974060
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Magnon-polaron transport in magnetic insulators (2017)
  • 著者名/発表者名: B. Flebus, K. Shen, T. Kikkawa, K. Uchida, Z. Qiu, E. Saitoh, R. A. Duine, and G. E. W. Bauer
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 印刷中
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Complete Suppression of Longitudinal Spin Seebeck Effect by Frozen Magnetization Dynamics in Y3Fe5O12 (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kikkawa, K. Uchida, S. Daimon, and E. Saitoh,
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 85 号: 6 ページ: 065003-065003
  • DOI: 10.7566/jpsj.85.065003
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Spin-current-driven thermoelectric generation based on interfacial spin-orbit coupling (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Yagmur, S. Karube, K. Uchida, K. Kondou, R. Iguchi, T. Kikkawa, Y. Otani, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 108 号: 24 ページ: 242409-242409
  • DOI: 10.1063/1.4953879
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermoelectric Generation Based on Spin Seebeck Effects (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Uchida, H. Adachi, T. Kikkawa, A. Kirihara, M. Ishida, S. Yorozu, S. Maekawa, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Proceedings of the Ieee 巻: 104 号: 7 ページ: 1499-1499
  • DOI: 10.1109/jproc.2016.2577478
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnon Polarons in the Spin Seebeck Effect (2016)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kikkawa, Ka Shen, Benedetta Flebus, Rembert A. Duine, Ken-ichi Uchida, Zhiyong Qiu, G. E. W. Bauer, and Eiji Saitoh
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 117 号: 20 ページ: 207203-207203
  • DOI: 10.1103/physrevlett.117.207203
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Gamma radiation resistance of spin Seebeck devices (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Yagmur, K. Uchida, K. Ihara, I. Ioka, T. Kikkawa, M. Ono, J. Endo, K. Kashiwagi, T. Nakashima, A. Kirihara, M. Ishida, E. Saitoh,
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 109 号: 24 ページ: 243902-243902
  • DOI: 10.1063/1.4971976
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Thermoelectric generation based on spin Seebeck effects (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Uchida, H. Adachi, T. Kikkawa, A. Kirihara, M. Ishida, S. Yorozu, S. Maekawa, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Proceedings of the IEEE 巻: 印刷中 号: 10 ページ: 1946-1973
  • DOI: 10.1109/jproc.2016.2535167
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Evaluation of thermal gradients in longitudinal spin Seebeck effect measurements (2015)
  • 著者名/発表者名: A. Sola, M. Kuepferling, V. Basso, M. Pasquale, T. Kikkawa, K. Uchida, E. Saitoh
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 117 号: 17
  • DOI: 10.1063/1.4916762
  • 査読あり
• [雑誌論文] Transverse thermoelectric effect in La0.67Sr0.33O3| SrRuO3 superlattices (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Shiomi, Y. Handa, T. Kikkawa, and E. Saitoh,
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 106 号: 23 ページ: 232403-232403
  • DOI: 10.1063/1.4922294
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] All-oxide spin Seebeck effects (2015)
  • 著者名/発表者名: Z. Qiu, D. Hou, K. Uchida, and E. Saitoh,
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 8 号: 8 ページ: 083001-083001
  • DOI: 10.7567/apex.8.083001
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Intrinsic surface magnetic anisotropy in Y3Fe5O12 as the origin of low-magnetic-field behavior of the spin Seebeck effect (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Uchida, J. Ohe, T. Kikkawa, S. Daimon, D. Hou, Z. Qiu, E. Saitoh
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 92 号: 1 ページ: 014415-014415
  • DOI: 10.1103/physrevb.92.014415
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Anomalous Hall effect with giant hysteresis loop in La0.67Sr0.33MnO3|SrRuO3 superlattices (2015)
  • 著者名/発表者名: Y.Shiomi, Y. Handa, T. Kikkawa, and E. Saitoh,
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 92 号: 2 ページ: 024418-024418
  • DOI: 10.1103/physrevb.92.024418
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Critical suppression of spin Seebeck effect by magnetic fields (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Kikkawa, K. Uchida, S. Daimon, Z. Qiu, Y. Shiomi, and E. Saitoh,
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 92 号: 6 ページ: 064413-064413
  • DOI: 10.1103/physrevb.92.064413
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Observation of inverse spin Hall effect in ferromagnetic FePt alloys using spin Seebeck effect (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Seki, K. Uchida, T. Kikkawa, Z. Qiu, E. Saitoh, and K. Takanashi,
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 107 号: 9 ページ: 092401-092401
  • DOI: 10.1063/1.4929691
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Enhancement of anomalous Nernst effects in metallic multilayers free from proximity-induced magnetism (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Uchida, T. Kikkawa, T. Seki, T. Oyake, J. Shiomi, Z. Qiu, K. Takanashi, and E. Saitoh,
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 92 号: 9 ページ: 094414-094414
  • DOI: 10.1103/physrevb.92.094414
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Unconventional scaling and significant enhancement of the spin Seebeck effect in multilayers (2015)
  • 著者名/発表者名: R. Ramos, T. Kikkawa, M. H. Aguirre, I. Lucas, A. Anadon, T. Oyake, K. Uchida, H. Adachi, J. Shiomi, P. A. Algarabel, L. Morellon, S. Maekawa, E. Saitoh, and M. R. Ibarra
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 92 号: 22 ページ: 220407-220407
  • DOI: 10.1103/physrevb.92.220407
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Hybridized magnon-phonon excitation in spin Seebeck effect (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Kikkawa
  • 学会等名: Reimei/GP-Spin/ ICC-IMR International Workshop “New Excitations in Spintronics”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Magnon-phonon hybridization in spin Seebeck effect in BixY3-xFe5O12 films (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Kikkawa, K. Oyanagi, T. Hioki, M. Ishida, Z. Qiu, R. Ramos, Y. Hashimoto, and E. Saitoh
  • 学会等名: 新学術領域研究（研究領域提案型）「ナノスピン変換科学」平成29年度年次報告会
• [学会発表] Hybridized magnon-phonon excitation in spin Seebeck effect in Bi3-xYxFe5O12 films (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Kikkawa, K. Oyanagi, T. Hioki, M. Ishida, Z. Qiu, R. Ramos, Y. Hashimoto, and E. Saitoh
  • 学会等名: APS March Meeting 2018
  • 国際学会
• [学会発表] XMCD detection of paramagnetic induced moments in Pt on Y3Fe5O12 (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Kikkawa, M. Suzuki, J. Okabayashi, K. Uchida, D. Kikuchi, Z. Qiu, and E. Saitoh
  • 学会等名: The AIMR International Symposium 2017 (AMIS2017)
  • 発表場所: 仙台国際センター
  • 年月日: 2017-02-13
  • 国際学会
• [学会発表] 磁気弾性結合が磁性絶縁体中の熱的スピン流生成に与える影響 (2017)
  • 著者名/発表者名: 吉川貴史, 内田健一, Zhiyong Qiu, 齊藤英治
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学
• [学会発表] 低温・強磁場下のPt超薄膜/Y3Fe5O12接合系におけるPt界面磁性のXMCD測定 (2016)
  • 著者名/発表者名: 吉川貴史, 鈴木基寛, 岡林潤, 内田健一, 菊池大介, 邱志勇, 齊藤英治
  • 学会等名: 日本物理学会 第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] Origin of spin Seebeck effect revealed by high-magnetic-field measurements (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kikkawa, K. Uchida, S. Daimon, Z. Qiu, Y. Shiomi, and E. Saitoh
  • 学会等名: The AIMR International Symposium 2016 (AMIS2016)
  • 発表場所: 仙台国際センター
  • 年月日: 2016-02-22
  • 国際学会
• [学会発表] マグノン-フォノン結合誘起スピンゼーベック効果の観測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 吉川貴史, Ka Shen, Benedetta Flebus, Rembert A. Duine, 内田健一, Zhiyong Qiu, Gerrit E. W. Bauer, 齊藤英治
  • 学会等名: 日本物理学会 2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学
• [学会発表] XMCD detection of induced paramagnetic moment in Pt on Y3Fe5O12 (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kikkawa, M. Suzuki, J. Okabayashi, K. Uchida, D. Kikuchi, Z. Qiu, and E. Saitoh
  • 学会等名: The 61st Annual Magnetism and Magnetic Materials (MMM) Conference
  • 発表場所: New Orleans, USA
  • 国際学会
• [学会発表] Observation of a phonon anomaly in the spin Seebeck effect (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kikkawa, K. Shen, B. Flebus, R. A. Duine, K. Uchida, Z. Qiu, G. E. W. Bauer, and E. Saitoh
  • 学会等名: The 61st Annual Magnetism and Magnetic Materials (MMM) Conference
  • 発表場所: New Orleans, USA
  • 国際学会
• [学会発表] 多層膜構造における巨大スピンゼーベック効果：実験 (2015)
  • 著者名/発表者名: R. Ramos, 吉川貴史, M. H. Aguirre, I. Lucas, A. Anadon, 小宅教文, 内田健一, 塩見淳一郎, P. A. Algarabel, L. Morellon, 齊藤英治, M. R. Ibarra
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学
  • 年月日: 2015-09-17
• [学会発表] Critical suppression of spin Seebeck effect by magnetic fields (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Kikkawa
  • 学会等名: Workshop on ThermoSpin Effects
  • 発表場所: Zaragoza, Spain
  • 年月日: 2015-07-03
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] 固体物理 (2015)
  • 著者名/発表者名: 吉川貴史, 内田健一
  • 総ページ数: 15
  • 出版者: アグネ技術センター