熱・力学的スピン変換

2014 年度 実績報告書

• 研究領域: ナノスピン変換科学
• 研究課題/領域番号: 26103005
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 齊藤 英治 東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 教授 (80338251)
• 研究分担者: 高梨 弘毅 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (00187981) ; 小野 正雄 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 先端基礎研究センター, 研究副主幹 (50370375)
• 研究期間 (年度): 2014-06-27 – 2019-03-31
• キーワード: スピン流 / スピントロニクス / 磁性物理 / スピンメカニクス

研究実績の概要

液体Hgは室温で水と同程度の粘性を示す液体金属であり、スピンホール物質であるPtと合金化しないため、流路中においてもスピンホール効果によってスピン流が注入できる。このときHgには、スピントルクと粘性により電流と平行方向に力が加わる。このようなトルクは電子スピン角運動量を運動へ直接変換するので、ナノ集積化可能であり、新しい動力エネルギー変換手法を与える。
今年度は、巨視的流路にHgを流してスピン起電力を生成する系を作製し、信号の測定に成功した（論文作成中）。
さらにこれを応用し、金属微粒子への光照射で誘起される「表面プラズモン」と呼ばれる電子の集団運動を磁性体の中で励起することで、光のエネルギーをスピン流に変換することに世界で初めて成功した。また、これまでに確立したスピン流-電流変換技術も利用することにより、光のエネルギーから電流を生成する新たなエネルギー変換原理が創出された。
今回実証した光-スピン流生成も、これまでのスピンポンプ系と同様の材料で発現することが分かった。このことから、電流やスピン流の駆動力として同時に利用可能なエネルギー源の選択肢をさらに広げられることが明らかになった。今後の研究の進展により、表面プラズモンとスピン流を融合した新しい研究分野の形成や、外部電源を必要としない電気、磁気デバイスの研究開発に貢献することが期待される。
以上の結果を論文にまとめ、Nature Communications誌に掲載された。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

初期の目標は十分に達成されたのみならず、次年度以降予定していた光スピンポンプの測定も開始することができ、研究をやや前倒しで行っている状況である。

今後の研究の推進方策

本年度以降、マイクロ流路を用いた角運動量変換の定量化・解析、スピンモーターデバイスプロトタイプ作製まで行う。一方で、相反性によりこの現象の逆効果、即ち逆スピンホール効果を経由して流体運動からスピン流と電流が生成される効果も予言される。流体金属の力学的駆動或いは界面フォノン（機械振動）の励起によりスピン流が生成され、逆スピンホール電圧が生じる現象が存在する筈である。これは動力から直接電子的に電力を生成する新しい発電原理であり、上記素子を利用してこれを開拓する。この現象を理論的に解析するためには、一般座標変換について共変な形に固体中電子の量子力学を書き換える必要があるが、既に理論グループと準備を始めている。電子が本質的に持っている量子力学的なスピン角運動量を取り出して利用することは、スピン科学の長年の夢であった。我々のスピントロニクス技術により、新しい動力原理・発電原理を提示する。
本年度はスピン角運動量変換を利用した熱エネルギー技術体系の構築を行う。マイクロ機械技術を利用することにより、スピン流による冷却、加熱、熱移動現象の開拓を行う。本研究班メンバーらが発見した熱エネルギーからスピン圧や電圧が生成される現象「スピンゼーベック効果」は、スピンが本質的に持つ非相反性とマグノンのダイナミクスが絡みあった熱的スピン角運動量変換現象であるが、実はこの機構は更に高い一般性を有しており、スピンゼーベック効果の存在は、その逆効果であるスピン流による熱生成効果「スピンペルチェ効果」が存在すべきであることを意味する。マイクロ機械技術(MEMS)により、熱容量が小さく、大きさがスピン緩和長程度の微小な構造を作製しスピン流回路と熱生成・測定部を組み込むことでこの現象を開拓し、スピン流による熱操作の基礎学理を作る。

研究成果

• [雑誌論文] Enhancement of spin-Seebeck effect by inserting ultra-thin Fe70Cu30 interlayer (2015)
  • 著者名/発表者名: D. Kikuchi, M. Ishida, K. Uchida, Z. Qiu, T. Murakami and E. Saitoh
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 106 ページ: 082401
  • DOI: 10.1063/1.4913531
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Generation of spin currents by surface plasmon resonance (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Uchida, H. Adachi, D. Kikuchi, S. Ito, Z. Qiu, S. Maekawa & E. Saitoh
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 6 ページ: 5910
  • DOI: 10.1038/ncomms6910
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Generation of spin currents in the skyrmion phase of a helimagnetic insulator Cu2OSeO3 (2015)
  • 著者名/発表者名: Daichi Hirobe, Yuki Shiomi, Yuhki Shimada, Jun-ichiro Ohe, and Eiji Saitoh
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 117 ページ: 053904
  • DOI: 10.1063/1.4907040
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin Hall magnetoresistance at high temperatures (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Uchida, Z. Qiu, T. Kikkawa, R. Iguchi, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 106 ページ: 052405
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4907546
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Sign of inverse spin Hall voltages generated by ferromagnetic resonance and temperature gradients in yttrium iron garnet platinum bilayers (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Schreier, G. E. W. Bauer, V. Vasyuchka, J. Flipse, K. Uchida, J. Lotze, V. Lauer, A. Chumak, A. Serga, S. Daimon, T. Kikkawa, E. Saitoh, B. J. van Wees, B. Hillebrands, R. Gross, S. T. B. Goennenwein
  • 雑誌名: Journal of Physics D: Applied Physics 巻: 48 ページ: 025001
  • DOI: 10.1088/0022-3727/48/2/025001
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Spectral shape deformation in inverse spin Hall voltage in Y3Fe5O12 Pt bilayers at high microwave power levels (2015)
  • 著者名/発表者名: J. Lustikova, Y. Shiomi, S.M. Haidar, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 117 ページ: 073901_1-6
  • DOI: 10.1063/1.4908211
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Anomalous Nernst effect of Fe3O4 single crystal (2014)
  • 著者名/発表者名: R. Ramos, M.H. Aguirre, A. Anad´on, J. Blasco, I. Lucas, K. Uchida, P.A. Algarabel, L. Morell´on, E. Saitoh, and M.R. Ibarra
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 90 ページ: 054422_1-4
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.90.054422
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Longitudinal spin Seebeck effect: from fundamentals to applications (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Uchida, M. Ishida, T. Kikkawa, A. Kirihara, T. Murakami, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Journal of physics: condensed matter 巻: 26 ページ: 343202
  • DOI: 10.1088/0953-8984/26/34/343202
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Pure detection of the acoustic spin pumping in Pt/YIG/PZT structures (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Uchida, Z. Qiu, T. Kikkawa, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Solid State Communications 巻: 198 ページ: 26-29
  • DOI: 10.1016/j.ssc.2013.10.012
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Quantitative Temperature Dependence of Longitudinal Spin Seebeck Effect in High Temperature Regions (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Uchida, T. Kikkawa, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Physical Review X 巻: 4 ページ: 041023
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevX.4.041023
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Spin current generation from sputtered Y3Fe5O12 films (2014)
  • 著者名/発表者名: J. Lustikova, Y. Shiomi, Z. Qiu, T. Kikkawa, R. Iguchi, K. Uchida, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 111 ページ: 153902_1-6
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4898161
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Spin-Electricity Conversion Induced by Spin Injection into Topological Insulators (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Shiomi, K. Nomura, Y. Kajiwara, K. Eto , M. Novak, K. Segawa , Y. Ando, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 113 ページ: 196601_1-4
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.196601
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Paramagnetic spin pumping (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Shiomi, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 113 ページ: 266602_1-5
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.196601
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] スピンゼーベック効果による発電 (2015)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 金属錯体の固体物性最前線：金属錯体と固体物性物理と生物物性の連携新領域を目指して
  • 発表場所: 仙台
  • 年月日: 2015-02-22
  • 招待講演
• [学会発表] From spin pumping to spin Seebeck effect (2014)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 2014 Workshop on Innovative Nanoscale. Devices and Systems
  • 発表場所: Kona, Hawaii
  • 年月日: 2014-12-05
  • 招待講演
• [学会発表] Various spin current exchange phenomena (2014)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Magnetism and Magnetic Materials Conference 2014
  • 発表場所: Honolulu, Hawaii
  • 年月日: 2014-11-05
  • 招待講演
• [学会発表] From spin pumping to spin Seebeck effect (2014)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Chicago-AIMR workshop
  • 発表場所: Sendai
  • 年月日: 2014-09-19
  • 招待講演
• [学会発表] Spin current generation from heat and mechanical motion (2014)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 第38回日本磁気学会学術講演会
  • 発表場所: 横浜
  • 年月日: 2014-09-05
  • 招待講演
• [学会発表] Spin current physics and materials (2014)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: JSPS Symposium on Nanoscale Physics of Quantum Materials
  • 発表場所: Leeds, UK
  • 年月日: 2014-08-12
  • 招待講演
• [学会発表] Spin current physics and materials (2014)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 6th IEEE International Nanoelectronics Conference
  • 発表場所: Sapporo
  • 年月日: 2014-07-28
  • 招待講演
• [学会発表] Various phenomena related to spin Seebeck effect (2014)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: SpincaloritronicsVI
  • 発表場所: Irsee, Germany
  • 年月日: 2014-07-15
  • 招待講演
• [学会発表] From spin pumping to spin Seebeck effect (2014)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 10th AIMS conference on dynamical systems, differential equations and applications
  • 発表場所: Madrid, Spain
  • 年月日: 2014-07-11
  • 招待講演
• [備考] 齊藤研究室
  • URL: http://saitoh.imr.tohoku.ac.jp/