スピントロニクスを利用した革新的核磁気共鳴法の開拓

• 研究課題/領域番号: 22K18686
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分13:物性物理学およびその関連分野
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 吉川 貴史 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (60828846)
• 研究期間 (年度): 2022-06-30 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円); 2023年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円); 2022年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円)
• キーワード: 核スピン / 核スピントロニクス / 核磁気共鳴 / スピン流 / スピントロニクス

研究開始時の研究の概要

本研究では、核スピンの持つ高コヒーレンス性に基づく核磁気共鳴（NMR）と高い操作性・機能性をもつスピントロニクス技術とを融合させた新しい分光学の開拓に取り組む。電子スピンと核スピン（NMR）モードの混成効果が顕著な物質群を対象に、マイクロ波電流を入力として生じる核スピン歳差応答効果及びスピン流-電流変換に基づく電圧を出力とした電気測定を行う。本研究を通じて、電気的に核スピン励起を変調・検出する新しい科学技術の創出を目指す。

研究実績の概要

本研究では、核スピンの持つ高コヒーレンス性に基づく核磁気共鳴（NMR）と高い操作性・汎用性をもつスピントロニクス技術とを融合させた新しい分光学の開拓に取り組む。本研究を通じて、電気的に核スピン励起を変調・検出する新しい科学技術の創出を目指す。
本年度の研究では、大きな核スピン（I = 5/2）を含む55Mn核から構成されたMn金属化合物のマイクロバーを作製し、それに高周波電流を印加し、その電圧応答を測定する実験を軸に研究を進めた。反転対称性が破れた金属の場合、電流印加に伴い非平衡スピン分極が生じ、これが磁化にトルクを与える現象が知られている。ここで入力電流の周波数を55Mn核のNMR周波数帯に合わせると、磁気トルクがNMR周波数で振動し、最終的には核スピンへとその振動トルクが移行されると期待される。このアイデアをもとに、55Mnを含む反転対称性の破れた金属薄膜マイクロバーにNMRを満たす周波数の高周波電流を印加した所、NMR周波数を満たす条件において有意な電気信号が見出された。また、その信号強度は、おおよそ温度の逆数に比例して低温で発達することが確認され、これは核スピン分極率の温度依存性と良く整合している。共同研究を通じて、この信号の起源を説明するモデル構築にも着手し、信号の磁場・温度依存性の再現に成功した。今後は、この現象の逆過程等への展開も期待でき、最終年度に新たな研究指針を生み出すことができたことは意義深いと言える。

研究成果

• [国際共同研究] ヨハネス・グーテンベルク大学マインツ(ドイツ)
• [国際共同研究] カリフォルニア大学ロサンゼルス校(米国)
• [国際共同研究] ヨハネス・グーテンベルク大学マインツ(ドイツ)
• [国際共同研究] UCL ユニバーシティ・カレッジ・ロンドン(英国)
• [雑誌論文] Coexistence of Quantum‐Spin‐Hall and Quantum‐Hall‐Topological‐Insulating States in Graphene/hBN on SrTiO3 Substrate (2024)
  • 著者名/発表者名: Obata Reiji、Kosugi Mioko、Kikkawa Takashi、Kuroyama Kazuyuki、Yokouchi Tomoyuki、Shiomi Yuki、Maruyama Shigeo、Hirakawa Kazuhiko、Saitoh Eiji、Haruyama Junji
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: - 号: 19 ページ: 2311339-2311339
  • DOI: 10.1002/adma.202311339
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Actuation of microstructures with spin-current volume effect (2024)
  • 著者名/発表者名: Huang Yi-Te、Suzuki Kenta、Arisawa Hiroki、Kikkawa Takashi、Saitoh Eiji、Ono Takahito
  • 雑誌名: Communications Engineering 巻: 3 号: 1 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1038/s44172-024-00187-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Understanding spin currents from magnon dispersion and polarization: Spin-Seebeck effect and neutron scattering study on Tb3Fe5O12 (2024)
  • 著者名/発表者名: Kawamoto Y.、Kikkawa T.、Kawamata M.、Umemoto Y.、Manning A. G.、Rule K. C.、Ikeuchi K.、Kamazawa K.、Fujita M.、Saitoh E.、Kakurai K.、Nambu Y.
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 124 号: 13 ページ: 132406-132406
  • DOI: 10.1063/5.0197831
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Spin-wave cochlea and nonlocal magnetic resonance in a magnet (2023)
  • 著者名/発表者名: Arisawa Hiroki、Daimon Shunsuke、Oikawa Yasuyuki、Kikkawa Takashi、Saitoh Eiji
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 号: 13 ページ: 134408-134408
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.134408
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Role of two-dimensional monolayer MoS2 interlayer in the temperature-dependent longitudinal spin Seebeck effect in Pt/YIG bilayer structures (2023)
  • 著者名/発表者名: Park Chanho、Choi Jae Won、Park No-Won、Kim Gil-Sung、Kikkawa Takashi、Saitoh Eiji、Lee Sang-Kwon
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 11 号: 22 ページ: 11831-11839
  • DOI: 10.1039/d3ta01702h
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Quantum correction to the anomalous Hall effect in PtMnGe thin films (2023)
  • 著者名/発表者名: Meng K. K.、Chen J. K.、Wu Y.、Xu X. G.、Kikkawa T.、Sun L. P.、Hou D. Z.、Li Q.、Zhang N. N.、Fu Z. G.、Zhu T.、Jiang Y.、Saitoh E.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 号: 22 ページ: 224409-224409
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.224409
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Gate-tunable resistance drops related to local superconducting gaps in thin TaS2 layers on SrTiO3 substrates (2023)
  • 著者名/発表者名: Kosugi M.、Obata R.、Suzuki K.、Kuroyama K.、Du S.、Skinner B.、Kikkawa T.、Yokouchi T.、Shiomi Y.、Maruyama S.、Hirakawa K.、Saitoh E.、Haruyama J.
  • 雑誌名: APL Materials 巻: 11 号: 8 ページ: 081106-081106
  • DOI: 10.1063/5.0147818
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cryogenic spin Peltier effect detected by a RuO2-AlOx on-chip microthermometer (2023)
  • 著者名/発表者名: Kikkawa Takashi、Kiguchi Haruka、Kaverzin Alexey A.、Takahashi Ryo、Saitoh Eiji
  • 雑誌名: Physical Review Applied 巻: 20 号: 5 ページ: 054006-054006
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.20.054006
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spin and spin current-From fundamentals to recent progress (2023)
  • 著者名/発表者名: Maekawa Sadamichi、Kikkawa Takashi、Chudo Hiroyuki、Ieda Jun’ichi、Saitoh Eiji
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 133 号: 2 ページ: 020902-020902
  • DOI: 10.1063/5.0133335
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Experimental observation of nuclear-spin Seebeck effect (2023)
  • 著者名/発表者名: Kikkawa Takashi、Saitoh Eiji
  • 雑誌名: JSAP Review 巻: 2023 号: 0 ページ: n/a
  • DOI: 10.11470/jsaprev.230403
  • ISSN: 2437-0061
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Room-Temperature Ferromagnetism Manifests Itself in Ultrathin Pt Films (2023)
  • 著者名/発表者名: Kikkawa Takashi
  • 雑誌名: JPSJ News and Comments 巻: 20 ページ: 02-02
  • DOI: 10.7566/jpsjnc.20.02
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nonlinear Magnon Polaritons (2023)
  • 著者名/発表者名: Lee Oscar、Yamamoto Kei、Umeda Maki、Zollitsch Christoph W.、Elyasi Mehrdad、Kikkawa Takashi、Saitoh Eiji、Bauer Gerrit E. W.、Kurebayashi Hidekazu
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 130 号: 4 ページ: 046703-046703
  • DOI: 10.1103/physrevlett.130.046703
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mechanism of paramagnetic spin Seebeck effect (2023)
  • 著者名/発表者名: Oyanagi Koichi、Takahashi Saburo、Kikkawa Takashi、Saitoh Eiji
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 号: 1 ページ: 014423-014423
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.014423
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin Seebeck Effect: Sensitive Probe for Elementary Excitation, Spin Correlation, Transport, Magnetic Order, and Domains in Solids (2023)
  • 著者名/発表者名: Kikkawa Takashi、Saitoh Eiji
  • 雑誌名: Annual Review of Condensed Matter Physics 巻: 14 号: 1 ページ: 129-151
  • DOI: 10.1146/annurev-conmatphys-040721-014957
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Emission of coherent THz magnons in an antiferromagnetic insulator triggered by ultrafast spin-phonon interactions (2023)
  • 著者名/発表者名: Rongione E.、Gueckstock O.、Mattern M.、Gomonay O.、Meer H.、Schmitt C.、Ramos R.、Kikkawa T.、Micica M.、Saitoh E.、Sinova J.、Jaffres H.、Mangeney J.、Goennenwein S. T. B.、Geprags S.、Kampfrath T.、Klaui M.、Bargheer M.、Seifert T. S.、Dhillon S.、Lebrun R.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 号: 1 ページ: 1818-1818
  • DOI: 10.1038/s41467-023-37509-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Advances in Magnetics Roadmap on Spin-Wave Computing (2022)
  • 著者名/発表者名: Chumak A. V.、Kabos P.、Wu M.、Abert C.、Adelmann C.、Adeyeye A. O.、Akerman J.、Aliev F. G.、Anane A.、Awad A.、Back C. H.、Barman A.、Bauer G. E. W.、Becherer M.、Beginin E. N.、Bittencourt V. A. S. V.、Blanter Y. M.、Bortolotti P.、Boventer I.、Bozhko D. A.、Kikkawa T. et al
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Magnetics 巻: 58 号: 6 ページ: 0800172-0800172
  • DOI: 10.1109/tmag.2022.3149664
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Observation of spin-current striction in a magnet (2022)
  • 著者名/発表者名: Arisawa Hiroki、Shim Hang、Daimon Shunsuke、Kikkawa Takashi、Oikawa Yasuyuki、Takahashi Saburo、Ono Takahito、Saitoh Eiji
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 号: 1 ページ: 2440-2440
  • DOI: 10.1038/s41467-022-30115-y
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Deciphering quantum fingerprints in electric conductance (2022)
  • 著者名/発表者名: Daimon Shunsuke、Tsunekawa Kakeru、Kawakami Shinji、Kikkawa Takashi、Ramos Rafael、Oyanagi Koichi、Ohtsuki Tomi、Saitoh Eiji
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 号: 1 ページ: 3160-3160
  • DOI: 10.1038/s41467-022-30767-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Composition-tunable magnon-polaron anomalies in spin Seebeck effects in epitaxial BixY3-xFe5O12 films (2022)
  • 著者名/発表者名: Kikkawa Takashi、Oyanagi Koichi、Hioki Tomosato、Ishida Masahiko、Qiu Zhiyong、Ramos Rafael、Hashimoto Yusuke、Saitoh Eiji
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 6 号: 10 ページ: 104402-104402
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.6.104402
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 電子強誘電体における擬スピン・エレクトロニクス (2024)
  • 著者名/発表者名: 吉川貴史
  • 学会等名: エキゾチック磁性を活用したスピントロニクス研究の最前線
  • 招待講演
• [学会発表] 非線形Seebeck効果の理論モデルの構築 (2024)
  • 著者名/発表者名: 平田裕也, 吉川貴史, 齊藤英治
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] マグノン・フォノン・核スピンに基づくスピントロニクスの研究 (2024)
  • 著者名/発表者名: 吉川貴史
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
  • 招待講演
• [学会発表] スピン軌道トルクによる核磁気共鳴の観測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉川貴史, 沼田淳希, 窪田崇秀, 巻内崇彦,関剛斎, 中堂博之, 埋田真樹, 高梨弘毅, 高橋三郎, 齊藤英治
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] 室温における非線形Seebeck効果の観測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 平田裕也, 吉川貴史, 齊藤英治
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] 電子強誘電体における非線形電気輸送 (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉川貴史, 齊藤英治
  • 学会等名: 第33回日本MRS年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] 核スピンを利用した低温熱電変換 (Nuclear-spin driven low-temperature thermoelectric effect) (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉川貴史, 齊藤英治
  • 学会等名: 第14回 低温科学研究センター研究交流会
• [学会発表] キャント反強磁性体MnCO3のマイクロ波分光 (2023)
  • 著者名/発表者名: 巻内崇彦, 吉川貴史, シッチャヌギリッツ タナポーン, 沼田淳希, 高橋三郎, 齊藤英治
  • 学会等名: 第14回 低温科学研究センター研究交流会
• [学会発表] 原子核を利用したスピントロニクスの開拓 (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉川貴史
  • 学会等名: 第４回若手放談会：エキゾチック核物理の将来
  • 招待講演
• [学会発表] Microwave spectroscopy for field dispersions in MnCO3 (MnCO3磁場分散のマイクロ波分光) (2023)
  • 著者名/発表者名: 巻内崇彦, 吉川貴史, シッチャヌギリッツ タナポーン, 沼田淳希, 高橋三郎, 齊藤英治
  • 学会等名: 第70回 応用物理学会 春季学術講演会
• [学会発表] 超伝導体MoGeにおける非線形熱電効果 (2023)
  • 著者名/発表者名: 有沢洋希, 藤本雄人, 吉川貴史, 齊藤英治
  • 学会等名: 日本物理学会 2023年春季大会
• [学会発表] 超伝導体MoGeにおける非線形熱電効果の観測に向けた測定手法の開発と理論モデル (2023)
  • 著者名/発表者名: 藤本雄人, 有沢洋希, 吉川貴史, 齊藤英治
  • 学会等名: 日本物理学会 2023年春季大会
• [学会発表] NiMnSbにおける核-電子スピン共鳴スペクトロスコピー (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉川貴史, 沼田淳希, 窪田崇秀, 関剛斎, 中堂博之, 巻内崇彦, 埋田真樹, 高梨弘毅, 齊藤英治
  • 学会等名: 日本物理学会 2023年春季大会
• [学会発表] Microwave spectroscopy of canted antiferromagnet MnCO3 (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Makiuchi, T. Kikkawa, T. Sichanugrist, J. Numata, S. Takahashi, and E. Saitoh
  • 学会等名: 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT23)
  • 国際学会
• [学会発表] Observation of nuclear-spin Seebeck effect in Pt/MnCO3 (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Kikkawa, D. Reitz, H. Ito, T. Makiuchi, T. Sugimoto, K. Tsunekawa, S. Daimon, K. Oyanagi, R. Ramos, S. Takahashi, Y. Shiomi, Y. Tserkovnyak, and E. Saitoh
  • 学会等名: SPIE Nanoscience + Engineering, Spintronics XV
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 令和５年度科学技術分野の文部科学大臣表彰 若手科学者賞
  • URL: https://www.mext.go.jp/b_menu/houdou/mext_01224.html
• [備考] 第36回安藤博記念学術奨励賞
  • URL: http://www.ando-lab.or.jp/hyo-syo-.html
• [備考] 第18回日本物理学会若手奨励賞（領域3）
  • URL: https://www.jps.or.jp/activities/awards/jusyosya/wakate2024.php
• [備考] 第11回エヌエフ基金研究開発奨励賞
  • URL: https://nf-foundation.or.jp/award/list/2022/winner.html
• [備考] 第14回低温科学研究センター研究交流会ベスト・プレゼンテーション・アワード
  • URL: http://www.crc.u-tokyo.ac.jp/kenkyukoryu/index.html