スピンゼーベック効果とマグノンダイナミクスの相関解明に関する研究

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15J08026
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 吉川 貴史 東北大学, 大学院理学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2015-04-24 – 2018-03-31
• キーワード: 熱的スピン流生成機構 / 熱電変換能向上 / 多層膜構造

研究実績の概要

本研究では、磁性体中のマグノン励起がどのように「スピンゼーベック効果 (熱的スピン流生成現象)」の発現を担っているのかを解明することを目的とする。スピンゼーベック効果の微視的な理解が深まることで、スピンゼーベック素子の熱電変換能を向上させるための指針が得られれば、スピンゼーベック型熱電変換デバイスの実現及び、今後の環境調和型の発電技術の発展に貢献できると考えられる。平成27年度の主な成果は、以下の2点である。

(1) マグノンによる熱的スピン流生成効率に周波数依存性があることを見出した: スピンゼーベック素子のプロトタイプとなっているイットリウム鉄ガーネットY3Fe5O12(YIG)バルク－Pt薄膜接合構造を用いて、スピンゼーベック効果の磁場・温度依存性を系統的に測定した。その結果、本試料構造におけるスピンゼーベック効果の信号が高磁場印加により抑制され、その抑制率は低温下で増大することを実験的に見出した。低周波のマグノン励起はゼーマンギャップにより高磁場下で抑制されるため、これは低周波マグノンがスピンゼーベック効果によるスピン流生成に強く影響することを示唆する結果といえる。

(2) 多層膜構造におけるスピンゼーベック効果の増大を観測: マグネタイトFe3O4薄膜-白金Pt薄膜接合を多層膜構造化することで、スピンゼーベック効果によって生じる熱起電力信号が劇的に増大することを見出した。系統的な積層数依存性や物質依存性測定などを通じて、Fe3O4-Pt多層膜構造において観測された大きな熱起電力信号の起源が、境界条件の変調に伴うスピン流空間分布の増大であることを明らかにした。

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

平成27年度の研究により、熱的スピン流生成効率にマグノン周波数依存性があることが明らかとなった。これはスピンゼーベック効果によって誘起されたスピン流とマグノン励起との関係性を解明する上で重要な知見であると考えられる。また、本年度に実証した多層膜型のスピンゼーベック素子によって、従来利用することのできなかった磁性体内部を流れる大きなスピン流を有効活用することができるようになった。本成果はスピンゼーベック効果の熱電変換応用に向けての新しい指針になると考えられる。以上より、当初の目的達成に向けて、研究を順調に遂行できていると判断する。

今後の研究の推進方策

平成28年度は、イットリウム鉄ガーネットY3Fe5O12(YIG)のYサイトの希土類置換に伴うマグノン分散関係の変化が、スピンゼーベック効果によるスピン流生成にどのように影響するかについて研究を進める予定である。特に、マグノンのヘリシティの変化とスピンゼーベック効果の符号変化との関係性を明らかにすることを目指す。

研究成果

• [国際共同研究] Universidad de Zaragoza(Spain)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: Universidad de Zaragoza
• [国際共同研究] Johannes Gutenberg-Universitat Mainz(Germany)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Johannes Gutenberg-Universitat Mainz
• [国際共同研究] Bielefeld University(Germany)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Bielefeld University
• [国際共同研究] INRIM(Italy)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: INRIM
• [雑誌論文] Thermoelectric generation based on spin Seebeck effects (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Uchida, H. Adachi, T. Kikkawa, A. Kirihara, M. Ishida, S. Yorozu, S. Maekawa, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Proceedings of the IEEE 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1109/JPROC.2016.2535167
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Evaluation of thermal gradients in longitudinal spin Seebeck effect measurements (2015)
  • 著者名/発表者名: A. Sola, M. Kuepferling, V. Basso, M. Pasquale, T. Kikkawa, K. Uchida, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 117 ページ: 17C510
  • DOI: 10.1063/1.4916762
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Transverse thermoelectric effect in La0.67Sr0.33MnO3|SrRuO3 superlattices (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Shiomi, Y. Handa, T. Kikkawa, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 106 ページ: 232403
  • DOI: 10.1063/1.4922294
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] All-oxide spin Seebeck effects (2015)
  • 著者名/発表者名: Z. Qiu, D. Hou, T. Kikkawa, K. Uchida, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 8 ページ: 083001
  • DOI: 10.7567/APEX.8.083001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Intrinsic surface magnetic anisotropy in Y3Fe5O12 as the origin of low-magnetic-field behavior of the spin Seebeck effect (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Uchida, J. Ohe, T. Kikkawa, S. Daimon, D. Hou, Z. Qiu, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 92 ページ: 014415
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.92.014415
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anomalous Hall effect with giant hysteresis loop in La0.67Sr0.33MnO3|SrRuO3 superlattices (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Shiomi, Y. Handa, T. Kikkawa, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 92 ページ: 024418
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.92.024418
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Critical suppression of spin Seebeck effect by magnetic fields (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Kikkawa, K. Uchida, S. Daimon, Z. Qiu, Y. Shiomi, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 92 ページ: 064413
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.92.064413
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Observation of inverse spin Hall effect in ferromagnetic FePt alloys using spin Seebeck effect (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Seki, K. Uchida, T. Kikkawa, Z. Qiu, E. Saitoh, and K. Takanashi
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 107 ページ: 092401
  • DOI: 10.1063/1.4929691
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Enhancement of anomalous Nernst effects in metallic multilayers free from proximity-induced magnetism (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Uchida, T. Kikkawa, T. Seki, T. Oyake, J. Shiomi, Z. Qiu, K. Takanashi, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 92 ページ: 094414
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.92.094414
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Unconventional scaling and significant enhancement of the spin Seebeck effect in multilayers (2015)
  • 著者名/発表者名: R. Ramos, T. Kikkawa, M. H. Aguirre, I. Lucas, A. Anadon, T. Oyake, K. Uchida, H. Adachi, J. Shiomi, P. A. Algarabel, L. Morellon, S. Maekawa, E. Saitoh, and M. R. Ibarra
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 92 ページ: 220407(R)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.92.220407
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] 低温・強磁場下のPt超薄膜/Y3Fe5O12接合系におけるPt界面磁性のXMCD測定 (2016)
  • 著者名/発表者名: 吉川貴史, 鈴木基寛, 岡林潤, 内田健一, 菊池大介, 邱志勇, 齊藤英治
  • 学会等名: 日本物理学会 第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-19
• [学会発表] Origin of spin Seebeck effect revealed by high-magnetic-field measurements (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kikkawa, K. Uchida, S. Daimon, Z. Qiu, Y. Shiomi, and E. Saitoh
  • 学会等名: The AIMR International Symposium 2016 (AMIS2016)
  • 発表場所: 仙台国際センター
  • 年月日: 2016-02-22 – 2016-02-23
  • 国際学会
• [学会発表] 多層膜構造における巨大スピンゼーベック効果：実験 (2015)
  • 著者名/発表者名: R. Ramos, 吉川貴史, M. H. Aguirre, I. Lucas, A. Anadon, 小宅教文, 内田健一, 塩見淳一郎, P. A. Algarabel, L. Morellon, 齊藤英治, M. R. Ibarra
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学
  • 年月日: 2015-09-17 – 2015-09-17
• [学会発表] Critical suppression of spin Seebeck effect by magnetic fields (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Kikkawa
  • 学会等名: Workshop on ThermoSpin Effects
  • 発表場所: Zaragoza, Spain
  • 年月日: 2015-07-03 – 2015-07-03
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] 固体物理 (2015)
  • 著者名/発表者名: 吉川貴史, 内田健一
  • 総ページ数: 15
  • 出版者: アグネ技術センター