ナノ磁性体におけるスピン流‐電磁場変換

2010 年度 実績報告書

• 研究領域: スピン流の創出と制御
• 研究課題/領域番号: 19048028
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 齊藤 英治 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (80338251)
• キーワード: スピン流 / スピントロニクス / ナノ磁性 / スピンホール効果

研究概要

強磁性/常磁性金属接合における磁化ダイナミクスによるスピン流生成「スピンポンピング」を物質・試料形状を変化させ系統的に調べた。強磁性金属層として組成比を変えたNi-Fe合金を用い、スピンポンピングにより生成されるスピン流を常磁性Pt層の逆スピンホール効果により測定した結果、NiとFeではフェルミ面の分極が逆であるにもかかわらず、逆スピンホール効果による起電力は全てのNi-Fe合金において同符号である結果が得られた。また生成されるスピン流密度はNi-Fe合金の飽和磁化・磁気緩和定数といったマクロな物質パラメータに強く依存することが見出された。
以上の結果をスピンポンピングの現象論的模型により整理し、スピンポンピングにより生成されるスピン流密度は磁化歳差運動の立体角により決定されるという一般則を明らかにした。また同様のNiFe/Pt膜において、スピンポンピングによる逆スピンホール効果のNiFe層及びPt層の膜厚依存性を測定した結果、起電力はそれぞれの膜厚の逆数に比例する結果が得られた。
この結果を説明する簡単な等価回路模型を導入し、本結果から常磁性層のスピン拡散長を電気的且つ微細加工なしに見積もることが可能であることを見出した。実験結果から得られたスピン拡散長はこれまでに報告されている値とほぼ一致し、さらに上記スピンポンピングの模型と組み合わせることで同時に見積もったPtのスピンホール角もこれまでの報告と整合した。
以上の結果は本手法が新たなスピン拡散長・スピンホール角定量手法として広範に応用可能であることを示すものである。

研究成果

• [雑誌論文] Spin current study of spin glass AgMn using spin pumping effect (2011)
  • 著者名/発表者名: R.Iguchi
  • 雑誌名: Journal of Physics (conference series) 巻: 266 ページ: 012089_1-012089_4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Inverse spin-Hall effect induced by spin pumping in different size Ni81Fe19/Pt films (2011)
  • 著者名/発表者名: H.Nakayama
  • 雑誌名: Journal of Physics (conference series) 巻: 266 ページ: 012100_1-012100_4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin pumping and magnetization-precession trajectory in thin film systems (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Nonaka
  • 雑誌名: Journal of Physics (conference Series) 巻: 266 ページ: 012101_1-012101_4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantifying spin mixing conductance in F/Pt (F=Ni, Fe, and Ni81Fe19) bilayer film (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Yoshino
  • 雑誌名: Journal of Physics (conference Series) 巻: 266 ページ: 012115_1-012115_4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of mechanical rotation on spin currents (selected as Editor's Suggestion) (2011)
  • 著者名/発表者名: M.Matsuo
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 106 ページ: 076601_1-076601_1_4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electric detection of the spin-Seebeck effect in ferromagnetic metals (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Uchida
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 107 ページ: 09A951_1-09A951_5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct conversion of light-polarization information into electric voltage using photoinduced inverse spin-Hall effect in Pt/GaAs hybrid structure : Spin photodetector (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Ando
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 107 ページ: 113902_1-113902_5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Inverse spin-Hall effect induced by spin pumping in various metals (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Ando
  • 雑誌名: IEEE transactions on magnetics 巻: 46 ページ: 1331-1333
  • 査読あり
• [雑誌論文] Inverse spin-Hall effect induced by spin pumping in different thickness Pt films (2010)
  • 著者名/発表者名: H.Nakayama
  • 雑誌名: IEEE Transaction on Magnetics 巻: 46 ページ: 2202-2204
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theory of magnon-driven spin Seebeck effect (2010)
  • 著者名/発表者名: J.Xiao
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 81 ページ: 214418_1-214418_8
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin Seebeck insulator (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Uchida
  • 雑誌名: Nature materials 巻: 9 ページ: 894-897
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of longitudinal spin-Seebeck effect in magnetic insulators (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Uchida
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 96 ページ: 172505_1-172505_3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Inverse spin-Hall effect in palladium at room temperature (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Ando
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 108 ページ: 113925_1-113925_4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhancement of the spin pumping efficiency by spin wave mode selection (2010)
  • 著者名/発表者名: C.W.Sandweg
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 97 ページ: 252504_2-252504_3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Gigantic enhancement of spin Seebeck effect by phonon drag (2010)
  • 著者名/発表者名: H.Adachi
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 97 ページ: 252506_1-252506_3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Longitudinal spin-Seebeck effect in sintered polycrystalline (Mn,Zn)Fe2O4 (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Uchida
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 97 ページ: 262504_1-262504_3
  • 査読あり
• [学会発表] モット絶縁体のスピントロニクス (2011)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 磁性薄膜・多層膜を究める:キャラクタリゼーションから新奇材料の創製へ
  • 発表場所: 筑波(特別講演)
  • 年月日: 2011-03-11
• [学会発表] Spin current generation from insulators and metals (2011)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: The 3rd Science web GCOE International Symposium
  • 発表場所: 仙台
  • 年月日: 2011-02-17
• [学会発表] スピントロニクスとスピン流 (2011)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 第20回先端材料科学若手フォーラム
  • 発表場所: 船橋(特別講演)
  • 年月日: 2011-02-05
• [学会発表] Spin current generation from metals and insulators (2011)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: International Symposium "Nanoscience and Quantum Physics 2011
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2011-01-25
• [学会発表] 金属系のスピンゼーベック効果 (2011)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: SORSTシンポジウム「IT/BTならびに省エネの支え役「磁性材料」の将来像」
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2011-01-19
• [学会発表] スピン流物理 (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 応用物理学会スピントロニクス入門セミナー
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2010-12-07
• [学会発表] スピン流の生成と計測 (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 日本表面科学会中部支部会
  • 発表場所: 浜松
  • 年月日: 2010-11-27
• [学会発表] Spin current generation from insulators and metals (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Magnetism and Magnetic Materials Conference 2010
  • 発表場所: Atlanta(米国)
  • 年月日: 2010-11-17
• [学会発表] Spin current coupled with charge and heat currents (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: The IEEE 7th International Symposium on Metallic Multilayers (MML2010)
  • 発表場所: Berkeley(米国)(Plenary Talk)
  • 年月日: 2010-09-19
• [学会発表] モット絶縁体のスピントロニクス (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 長崎
  • 年月日: 2010-09-16
• [学会発表] 誘電体スピントロニクス材料開拓とスピン光機能 (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 長崎
  • 年月日: 2010-09-15
• [学会発表] Spin Hall and spin torque effects in metal and insulator films (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 第34回日本磁気学会学術講演会
  • 発表場所: 筑波
  • 年月日: 2010-09-05
• [学会発表] Spin Current Physics (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 4th IMR-Korea University Seminar
  • 発表場所: Seoul(韓国)(特別講演)
  • 年月日: 2010-08-25
• [学会発表] スピンと熱 (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 2010年度日本物理学会科学セミナー「スピントロニクス-最先端の物理と技術-」
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2010-08-20
• [学会発表] Spin Seebeck effect (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Gordon Research Conferences, Magnetic Nanostructures
  • 発表場所: Lewiston(米国)
  • 年月日: 2010-08-12
• [学会発表] スピンゼーベック効果 (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 日本磁気学会第173回研究会「エネルギー関連技術としての熱と磁気」
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2010-08-03
• [学会発表] スピントロニクスとスピン流 (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 第29回電子材料シンポジウム
  • 発表場所: 静岡
  • 年月日: 2010-07-14
• [学会発表] Spin Seebeck effect (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 3rd International Conference on Spintronics Materials and Technology
  • 発表場所: Illinois(米国)
  • 年月日: 2010-06-23
• [学会発表] Spin current detection and generation using spin-Hall effect (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Ninth International Workshop on Surface, Interface and Thin Film Physics
  • 発表場所: Shanghai(中国)
  • 年月日: 2010-06-17
• [学会発表] Spin current generation and detection (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Progress in SSpintronics and Graphene Research, Kavli Institute for Theoretical Physics China at the Chinese Academy of Sciences
  • 発表場所: Beijing(中国)
  • 年月日: 2010-06-08
• [学会発表] Spin Hall and spin Seebeck effects (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Third International Conference on Nanospintronics Design and Realization
  • 発表場所: 大阪
  • 年月日: 2010-06-02
• [備考]
  • URL: http://saitoh.imr.tohoku.ac.jp/
• [産業財産権] 熱電変換素子、熱電変換素子の製造方法および熱電変換方法 (2011)
  • 発明者名: 桐原明宏, 中村泰信, 萬伸一, 内田健一, 齊藤英治
  • 権利者名: 東北大学・日本電気株式会社
  • 産業財産権番号: 特願、2011-025797
  • 出願年月日: 2011-02-09
• [産業財産権] 音波-スピン流変換素子 (2011)
  • 発明者名: 齊藤英治, 内田健一
  • 権利者名: 学校法人慶應義塾
  • 産業財産権番号: 特願、2011-052393
  • 出願年月日: 2011-03-10
• [産業財産権] 熱電変換素子及び熱電変換装置 (2010)
  • 発明者名: 内田健一, 齊藤英治
  • 権利者名: 学校法人慶應義塾
  • 産業財産権番号: 特願、2010-195508
  • 出願年月日: 2010-09-01