反転対称性の破れた結晶構造を利用した高効率なスピン流・電流変換材料の開拓

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H05458
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 関 真一郎 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, ユニットリーダー (70598599)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: スピントロニクス

研究実績の概要

本年度は、特に反転対称性の破れた半導体であるテルル等を用いてスピン流・電流変換の観測を目指した。当初は、強磁性体との接合系を作成して、磁気共鳴を介して注入されたスピンが電流に変換される過程を観測する手法（スピンポンピング）を試みていたが、この場合には界面における対称性の破れを反映したと思われる選択則のスピン流・電流変換が観測され、バルク物質そのものの対称性を反映した選択則を観測することができなかった。このため、界面を介したスピン注入法ではなく、磁場印加した試料表面に光照射することで、スピン偏極したキャリアを励起し、それらが電流に変換される過程を観測する手法を新たに採用した。この結果、バルク物質の結晶構造・スピン分裂の対称性を正しく反映したと思われる方向に大きな光誘起の起電力が生じることを確認することができた。

また、本研究から派生した成果として、反転対称性の破れた結晶構造の強磁性体（絶縁体Cu2OSeO3や金属系のB20合金・Co-Zn-Mn合金）におけるスピン波スピン流が、順方向・逆方向の伝搬に対して異なる伝搬特性を生じる一種の「ダイオード効果」を示すことを発見した。これは、反転対称性の破れに由来して生じるDzyaloshinskii-Moriya相互作用が、非対称なスピン波分散を生み出すことに由来していると考えられる。特定の周波数においては、室温でほぼ100%に近い効率でスピン流の整流ができることもわかっており、結晶構造の対称性を利用した新しいスピン流ダイオードの設計原理を実証することに成功した。

現在までの達成度 (段落)

28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

28年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Noncentrosymmetric magnets hosting magnetic skyrmions (2017)
  • 著者名/発表者名: N. Kanazawa, S. Seki, Y. Tokura
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1002/adma.201603227
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Transition to and from the skyrmion lattice phase by electric fields in a magnetoelectric compound (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Okamura, F. Kagawa, S. Seki, Y. Tokura
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 7 ページ: 12669
  • DOI: 10.1038/ncomms12669
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Magnetic reversal of electric polarization with fixed chirality of magnetic structure in a chiral-lattice helimagnet MnSb2O6 (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Kinoshita, S. Seki, T. J. Sato, Y. Nambu, T. Hong, M. Matsuda, H. Cao, S. Ishiwata, Y. Tokura
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 117 ページ: 047201
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.047201
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Magnetochiral nonreciprocity of volume spin wave propagation in chiral-lattice ferromagnets (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Seki, Y. Okamura, K. Kondou, K. Shibata, M. Kubota, R. Takagi, F. Kagawa, M. Kawasaki, G. Tatara, Y. Otani, Y. Tokura
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 93 ページ: 235131
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.93.235131
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] 絶縁体中のキラリティと強磁性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 関 真一郎
  • 学会等名: 豊田理研ワークショップ「キラル対称系の電磁応答」
  • 発表場所: トヨタ産業技術記念館（愛知県名古屋市西区）
  • 年月日: 2016-11-19
  • 招待講演
• [学会発表] Thermal generation of spin current in antiferromagnets and helimagnets (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Seki
  • 学会等名: Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM)
  • 発表場所: 米国（ニューオーリーンズ）
  • 年月日: 2016-11-01
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Emergent phenomena in chiral-lattice ferromagnetic insulators (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Seki
  • 学会等名: Asia Pacific Center for Theoretical Physics (APCTP) Workshop on Multiferroics
  • 発表場所: 中国（上海）
  • 年月日: 2016-10-09
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 一軸引張応力による磁気スキルミオンの安定化 (2016)
  • 著者名/発表者名: 関 真一郎
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学（石川県金沢市）
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] Control of skyrmions by electric field and mechanical strain (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Seki
  • 学会等名: International Workshop on Topological Structures in Ferroic Materials
  • 発表場所: ドイツ（ドレスデン）
  • 年月日: 2016-08-19
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Chirality and Ferromagnetism (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Seki
  • 学会等名: Gordon Research Conference on Multiferroic and Magnetoelectric Materials
  • 発表場所: 米国（ルイストン）
  • 年月日: 2016-08-10
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spin current in antiferromagnets and multiferroics (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Seki
  • 学会等名: Spin Caloritronics 7
  • 発表場所: オランダ（ユトレヒト）
  • 年月日: 2016-07-15
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] Emergent Spintronics Research Unit
  • URL: http://www.cems.riken.jp/en/laboratory/esru
• [備考] 個人ページ
  • URL: http://sekilab.net