熱・力学的スピン変換

2017 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, 材料科学高等研究所, 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 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 先端基礎研究センター, 研究副主幹 (50370375)
• 研究期間 (年度): 2014-07-10 – 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

本研究では、機械運動・熱・波動・音・電気とのスピン変換及び相互作用現象を開拓する。これにより、スピン変換の学理構築を推進するとともに、スピンを利用した新たなエネルギー変換科学技術の体系を創出する。平成29年度の主な成果は以下の通りである。
(1) スピン波の静磁波モードの分散関係の直接観測に成功： 光励起したスピン波の伝播過程を可視化する時間分解磁気光学イメージング法を開発し、フーリエ変換に基づく解析によりスピン波分散関係を取得可能であること示した(Nature Communications誌に掲載)。
(2) マグノン版スピン-バルブ効果の発見： 強磁性金属Co/反強磁性体CoO/強磁性絶縁体YIG接合において、Co層とYIG層の磁化の相対向きによってスピン流強度が変化する現象を発見した。本現象はマグノン版のスピン-バルブ効果であり、マグノンによる論理回路の創出に向けて端緒が開けたといえる (Nature Communications誌に掲載)。
(3) スピン波-音波の混成波誘起スピン輸送現象の開拓： 非局所スピンゼーベック効果の系統的な磁場・温度・端子間距離依存性測定により、スピン波-音波の混成波誘起スピン流が従来のスピン波スピン流に比べて高効率な伝搬特性を示すことを明らかにした(Physical Review B誌に掲載. Editors’ Suggestionに選出)。
(4) FeCoナノグラニュラーの軌道磁気モーメントの増大を発見： 力学回転-磁気結合現象であるバーネット効果を精密に測定可能な装置を開発し、FeCoナノグラニュラーにおける軌道磁気モーメントの増大を観測した (Journal of Magnetism and Magnetic Materials誌に掲載)。

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

スピントロニクスとマイクロ機械・流体工学の融合研究から、熱・力学的スピン変換に関する先駆的な研究結果が得られている。さらに、光誘起スピン波伝搬の高精度イメージングやその分散関係の測定技術開発にも成功しており、当初の計画以上に研究が進展している状況である。

今後の研究の推進方策

スピントロニクスとマイクロ機械技術(MEMS)の融合により、磁性絶縁体中のマグノンスピン流と機械運動を相互作用させる現象の開拓を行う。等方的な固体中のスピン角運動量の緩和において、大部分の角運動量は最終的に格子系に流れ込む。既に本研究班メンバーの研究により、ナノ～マイクロスケールでマグノンスピン流を電気的・熱的に生成する技術が確立されており、また、MEMS技術による磁性絶縁体のカンチレバーの作製技術及び、その機械振動モードの測定技術も構築されている。従ってこれらを組み合わせれば、スピン流駆動下におけるカンチレバーの振動測定を通じて、磁性体中に電気的・熱的に生成されたスピン流の格子系へ緩和現象の初観測が可能となる。これにより、新しい動力エネルギー変換手法の開拓が期待される。
さらに前年度までに得られた研究成果を発展させて、以下のトピックスに関する研究を行う。
反強磁性物質のネール温度や超伝導物質の超伝導転移温度などの相転移点で生じるスピンゼーベック効果の増大現象のメカニズムを理解するために実験・理論の両面から研究を進める。また、非局所スピンゼーベック配置を利用して、磁気秩序を示さない常磁性絶縁体における熱スピン流現象の輸送特性を明らかにする。
前年度までに構築した時間分解磁気光学イメージング法およびスピン波トモグラフィー法を利用し、磁性体に光を照射した後のスピン波の生成メカニズムの解明及び、フォノン系からスピン波への磁気弾性結合を介したエネルギー伝播・角運動量変換現象の解明を行う。さらにこれらの光学手法を利用して、スピン波ダイナミクスと磁性体端面や磁壁構造との相互作用について調べる。

研究成果

• [雑誌論文] Stimulated emission of dark matter axion from condensed matter excitations (2018)
  • 著者名/発表者名: N. Yokoi and E. Saitoh,
  • 雑誌名: Journal of High Energy Physics 巻: 2018 ページ: 22/0-20
  • DOI: 10.1007/JHEP01(2018)022
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Anomalous reversal of transverse thermoelectric voltage in CoδFe100-δ/YIG junction (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Ramos, P. Wongjom, R. Iguchi, A. Yagmur, Z. Qiu, S. Pinitsoontorn, K. Uchida and E. Saitoh,
  • 雑誌名: Journal of Magnetism and Magnetic Materials 巻: 447 ページ: 134～138
  • DOI: 10.1016/j.jmmm.2017.09.034
  • 査読あり / 国際共著
• [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. Klaui,
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 9 ページ: 1089/1-7
  • 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] Phase-resolved spin-wave tomography (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Hashimoto, TH. Johansen and E. Saitoh,
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 112 ページ: 072410/1-4
  • DOI: 10.1063/1.5018091
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Generation of spin currents from one-dimensional quantum spin liquid (2018)
  • 著者名/発表者名: D. Hirobe, T. Kawamata, K. Oyanagi, Y. Koike, and E. Saitoh,
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 123 ページ: 123903/1-8
  • DOI: 10.1063/1.5021022
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin transport across antiferromagnets induced by the spin Seebeck effect (2018)
  • 著者名/発表者名: J. Cramer, U. Ritzmann, B.-W. Dong, S. Jaiswal, Z. Qiu, E. Saitoh, U. Nowak, and M. Klaui,
  • 雑誌名: Journal of Physics D: Applied Physics 巻: 51 ページ: 144004/1-9
  • DOI: 10.1088/1361-6463/aab223
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Annealing-temperature-dependent voltage-sign reversal in all-oxide spin Seebeck devices using RuO2 (2018)
  • 著者名/発表者名: A. Kirihara M. Ishida, R .Yuge, K. Ihara, Y. Iwasaki, R. Sawada, H. Someya , R. Iguchi, K. Uchida, E. Saitoh, and S. Yorozu
  • 雑誌名: Journal of Physics D: Applied Physics 巻: 51 ページ: 154002/1-7
  • DOI: 10.1088/1361-6463/aab2cd
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tunable Sign Change of Spin Hall Magnetoresistance in Pt/NiO/YIG Structures (2017)
  • 著者名/発表者名: D. Hou, Z. Qiu, J. Barker, K. Sato, K. Yamamoto, S. Velez, JM. Gomez-Perez, LE. Hueso, F. Casanova and E. Saitoh,
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 118 ページ: 147202/1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.147202
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Time-resolved study of field-induced suppression of longitudinal spin Seebeck effect (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Hioki, R. Iguchi, Z. Qiu, D. Hou, K. Uchida and E. Saitoh,
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 10 ページ: 073002/1-4
  • DOI: 10.7567/APEX.10.073002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermographic measurements of the spin Peltier effect in metal/yttrium-iron-garnet junction systems (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Daimon, K. Uchida, R. Iguchi, T. Hioki and E. Saitoh,
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 96 ページ: 024424/1-12
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.96.024424
  • 査読あり
• [雑誌論文] Terahertz Spin Currents and Inverse Spin Hall Effect in Thin-Film Heterostructures Containing Complex Magnetic Compounds (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Seifert, U. Martens, S. Gunther, M. A. W. Schoen, F. Radu, X. Z. Chen, I. Lucas, R. Ramos, M. H. Aguirre, P. A. Algarabel, A. Anadon, H. S. Korner, J. Walowski, C. Back, M. R. Ibarra, L. Morellon, E. Saitoh, M. Wolf, C. Song, K. Uchida, M. Munzenberg, I. Radu and T. Kampfrath,
  • 雑誌名: SPIN 巻: 07 ページ: 1740010/1-11
  • DOI: 10.1142/S2010324717400100
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Unexpected structural and magnetic depth dependence of YIG thin films (2017)
  • 著者名/発表者名: J. F. K. Cooper, C. J. Kinane, S. Langridge, M. Ali, B. J. Hickey, T. Niizeki, K. Uchida, E. Saitoh, H. Ambaye and A. Glavic,
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 96 ページ: 104404/1-7
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.96.104404
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Generation of megahertz-band spin currents using nonlinear spin pumping (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Watanabe, D. Hirobe, Y. Shiomi, R. Iguchi, S. Daimon, M. Kameda, S. Takahashi and E. Saitoh,
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 ページ: 4576/1-6
  • DOI: 10.1038/s41598-017-04901-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Long-distance excitation of nitrogen-vacancy centers in diamond via surface spin waves (2017)
  • 著者名/発表者名: D. Kikuchi, D. Prananto, K. Hayashi, A. Laraoui, N. Mizuochi, M. Hatano, E. Saitoh, Y. Kim, CA. Meriles and T. An,
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 10 ページ: 103004/1-4
  • DOI: 10.7567/APEX.10.103004
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Magnetic thermal conductivity far above the Neel temperature in the Kitaev-magnet candidate alpha-RuCl3 (2017)
  • 著者名/発表者名: D. Hirobe, M. Sato, Y. Shiomi, H. Tanaka and E. Saitoh,
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 95 ページ: 241112(R)/1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.95.241112
  • 査読あり
• [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: 95 ページ: 144420/1-11
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.95.144420
  • 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: Physical Review B 巻: 96 ページ: 104441/1-14
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.96.104441
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Oscillatory Nernst effect in Pt|ferrite|cuprate-superconductor trilayer films (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Shiomi, J. Lustikova ane E. Saitoh,
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 ページ: 5358/1-8
  • DOI: 10.1038/s41598-017-05747-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spin conversion on the nanoscale (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Otani, M. Shiraishi, A. Oiwa, E. Saitoh and S. Murakami,
  • 雑誌名: Nature Physics 巻: 13 ページ: 829～832
  • DOI: 10.1038/NPHYS4192
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin Current Generation Using a Surface Acoustic Wave Generated via Spin-Rotation Coupling (2017)
  • 著者名/発表者名: D. Kobayashi, T. Yoshikawa, M. Matsuo, R. Iguchi, S. Maekawa, E. Saitoh and Y. Nozaki,
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 119 ページ: 077202/1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.077202
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin-current-induced magnetoresistance in trilayer structure with nonmagnetic metallic interlayer (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Iguchi, K. Sato, K. Uchida and E. Saitoh,
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 56 ページ: 040306～040306
  • DOI: 10.7567/JJAP.56.040306
  • 査読あり
• [雑誌論文] All-optical observation and reconstruction of spin wave dispersion (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Hashimoto, S. Daimon, R. Iguchi, Y. Oikawa, K. Shen, K. Sato, D. Bossini, Y. Tabuchi, T. Satoh, B. Hillebrands, G. E. W. Bauer, Y. H. Johansen, A. Kirilyuk, T. Rasing and E. Saitoh,
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 8 ページ: 15859/1-6
  • DOI: 10.1038/ncomms15859
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Antiferromagnetic anisotropy determination by spin Hall magnetoresistance (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Wang, D. Hou, Z. Qiu, T. Kikkawa, E. Saitoh and XF. Jin,
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 122 ページ: 083907/1-6
  • DOI: 10.1063/1.4986372
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Concomitant enhancement of the longitudinal spin Seebeck effect and the thermal conductivity in a Pt/YIG/Pt system at low temperatures (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Iguchi, K. Uchida, S. Daimon and E. Saitoh,
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 95 ページ: 174401/1-7
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.95.174401
  • 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: T. Kikkawa, M. Suzuki, J. Okabayashi, K. Uchida, D. Kikuchi, Z. Qiu and E. Saitoh,
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 95 ページ: 214416/1-7
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.95.214416
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electric field effect on magnetic anisotropy for Fe-Pt-Pd alloys (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Kikushima, T. Seki, K. Uchida, E. Saitoh and K. Takanashi,
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 7 ページ: 085210/1-7
  • DOI: 10.1063/1.4999326
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Enhanced orbital magnetic moment in FeCo nanogranules observed by Barnett effect (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Ogata, H. Chudo, B. Gu, N. Kobayashi, M. Ono, K. Harii, M. Matsuo, E. Saitoh and S. Maekawa,
  • 雑誌名: Journal of Magnetism and Magnetic Materials 巻: 442 ページ: 329～331
  • DOI: 10.1016/j.jmmm.2017.06.101
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhancement of the spin Peltier effect in multilayers (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Uchida, R. Iguchi, S. Daimon, R. Ramos, A. Anadon, I. Lucas, P. A. Algarabel, L. Morellon, M. H. Aguirre, M. R. Ibarra and E. Saitoh,
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 95 ページ: 184437/1-8
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.95.184437
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] FABRICATION OF NANOMECHANICAL RESONATOR WITH NON-LOCAL SPIN VALVE STRUCTURE FOR SPIN DETECTION AND CONTROL (2017)
  • 著者名/発表者名: YJ. Seo, K. Harii, R. Takahashi, H. Chudo, K. Oyanagi, T. Ono, Y. Shiomi and E. Saitoh,
  • 雑誌名: 30th Ieee International Conference on Micro Electro Mechanical Systems 巻: - ページ: 1177-1180
  • 査読あり
• [雑誌論文] Wavelength-selective spin-current generator using infrared plasmonic metamaterials (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Ishii, K. Uchida, TD. Dao, Y. Wada, E. Saitoh and T. Nagao,
  • 雑誌名: APL Photonics 巻: 2 ページ: 106103/1-9
  • DOI: 10.1063/1.4991438
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spin Seebeck effect in the polar antiferromagnet alpha-Cu2V2O7 (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Shiomi, R. Takashima, D. Okuyama, G. Gitgeatpong, P. Piyawongwatthana, K. Matan, T. J. Sato and E. Saitoh,
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 96 ページ: 180414(R)/1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.96.180414
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Experimental evidence consistent with a magnon Nernst effect in the antiferromagnetic insulator MnPS3 (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Shiomi, R. Takashima and E. Saitoh,
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 96 ページ: 134425/1-9
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.96.134425
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic-field-induced decrease of the spin Peltier effect in Pt/Y3Fe5O12 system at room temperature (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Itoh, R. Iguchi, S. Daimon, K. Oyanagi, K. Uchida and E. Saitoh,
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 96 ページ: 184422/1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.96.184422
  • 査読あり
• [雑誌論文] Probing length-scale separation of thermal and spin currents by nanostructuring YIG (2017)
  • 著者名/発表者名: A. Miura, T. Kikkawa, R. Iguchi, K. Uchida, E. Saitoh, J. Shiomi
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 1 ページ: 014601/1-7
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.1.014601
  • 査読あり
• [学会発表] スピン流とスピントロニクス 新しい『回転』の科学元素戦略 (2018)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 元素戦略プロジェクト＜研究拠点形成型＞/大型研究施設 連携シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Spinon and Phonon in Spintronics (2018)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Spin Mechanics 5 and Nano MRI 6 workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] スピン流の物理 (2018)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 第29回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Spin current generators (2017)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: ICCMSE 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] （基調講演）How to create and use spin current (2017)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: ICSS 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] How to create and use spin current? (2017)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: CIC nanoGUNE
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] スピン流の科学 － 電子の自転を利用した新しいサイエンス (2017)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 第133回金研講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Spinon and Phonon in Spintronics (2017)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: SpinTECH Ⅸ
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spin liquid and spin Seebeck effect (2017)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Spincaloritronics VIII
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spin Current Physics and Applications (2017)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 2017 Summer School
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] （基調講演）How to create and use spin current? (2017)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: TAMT2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] （基調講演）Spin Current Physics and Applications (2017)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: The 9th US-Japan Joint Seminar on Nanoscale Transport Phenomena
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 量子整流への挑戦 (2017)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: スピン・強相関ワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] Spinon Spin Current (2017)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Spin Dynamics in Nanostructures
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spinons and phonons in spintronics (2017)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Scientific Group Retreat
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spin Current Physics and Applications (2017)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Magnonics 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spin Current Physics and Applications (2017)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Joint annual meeting of the Spanish Club of Magnetism and the Spanish Chapter of the IEEE Magnetics Society
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spinon and Phonon in Spintronics (2017)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: E-MRS 2017 Fall Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spin current in magnets (2017)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Workshop "Magnonics - quo vadis?
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spinon and Phonon in Spintronics (2017)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: KIST- Tohoku University Joint Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] スピン流とスピントロニクスの物理 (2017)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: KEK連携コロキウム
  • 招待講演
• [学会発表] スピン流とスピントロニクス (2017)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 物性研究所談話会
  • 招待講演
• [図書] Spin Current” Second Edition (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Maekawa, S.O. Valenzuela, E. Saitoh, T. Kimura, Eds.
  • 総ページ数: 520
  • 出版者: Oxford University Press
  • ISBN: 9780198787075
• [備考] 齊藤研究室
  • URL: http://saitoh.imr.tohoku.ac.jp/