遷移金属酸化物の電子相制御

2010 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19204035
• 研究機関: 独立行政法人日本原子力研究開発機構
• 研究代表者: 前川 禎通 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, センター長 (60005973)
• 研究分担者: 小椎八重 航 理化学研究所, 基幹研究所, 研究員 (20273253) ; 森 道康 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, 副主任研究員 (30396519) ; 家田 淳一 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, 任期付研究員 (20463797) ; 大江 純一郎 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, 博士研究員 (40510251) ; 安立 裕人 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, 任期付研究員 (10397903)
• キーワード: 強相関電子系 / スピン流 / スピンホール効果 / 第一原理計算 / 量子モンテカルロ計算 / 超伝導 / ジョセフソン接合 / 熱起電力

研究概要

2008年東北大学より、金における巨大なSHEが報告された。我々は第一原理計算に基づき、金中の鉄不純物が巨大SHEに寄与することを突き止めた。さらに、量子モンテカルロ計算を組み合わせることにより、電子相関効果を取り入れることに成功し、クーロン相互作用によるスピン軌道相互作用(SOI)の繰り込み効果によって、クーロン相互作用を大きくするとスピン相関が負の方向に増大することを解明した。また、この繰り込み効果に対する量子的なスピンゆらぎの効果を調べ、鉄原子の量子的なスピンゆらぎが大きくなるほどスピン間の相関が大きくなることも見いだした。この結果は「なぜ、鉄不純物によってSHEのみが増長され、異常ホール効果に影響が現れないか」という疑問に対する明確な回答を与えた。さらに、巨大SHEを引き起こす例として、界面を考慮したSHEの計算を行った。金の(111)表面に白金のある場合について、局在電子と金の伝導電子との混成エネルギー、局在軌道の電子数、スピンホール角の関係を計算し、バルクの場合と比較した。その結果、スピンホール角は(111)界面で大きくなり、界面上でSOIに関係する軌道が2種類あることが明らかになった。バルク状態における対称性が界面によって破られ、局在軌道のエネルギーがフェルミエネルギー付近へと上昇、その結果界面付近でのSOIが大きくなり、SHEが増強されることが分かった。これらの計算結果は実験グループの結果をよく再現する。
また、上記研究で用いられた電子相関計算アルゴリズムは極めて汎用性が高く、実験グループとの共同研究による新しい磁性半導体Li(Zn,Mn)Asの開発においてもその有用性を発揮した。他にも、常伝導/超伝導接合における巨大SHEの理論構築、動的平均場理論を用いたコバルト酸化物の熱起電力の数値計算等も行った。

研究成果

• [雑誌論文] Microwave-induced supercurrent in a ferromagnetic Josephson junction (2011)
  • 著者名/発表者名: S.Hikino, M.Mori, S.Takahashi, S.Maekawa
  • 雑誌名: Supercond.Sci.Technol. 巻: 24 ページ: 024008(1-5)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ferromagnetic resonance with a magnetic Josephson junction (2011)
  • 著者名/発表者名: S.E.Barnes, M.Aprili, I.Petkovic, S.Maekawa
  • 雑誌名: Supercond.Sci.Technol. 巻: 24 ページ: 024020(1-6)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Giant spin Hall effect of Au films with Pt impurities : Surface-assisted skew scattering (2011)
  • 著者名/発表者名: Bo Gu, T.Ziman, G-Y.Guo, N.Nagaosa, S.Maekawa
  • 雑誌名: J.Appl.Phys. 巻: 109 ページ: 07C502(1-3)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermoelectric Energy Conversion and Ceramic Thermoelectrics (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Kajitani, Y.Miyazaki, K.Hayashi, K.Yubuta, X.Y.Huang, W.Koshibae
  • 雑誌名: Materials Science Forum 巻: 671 ページ: 1-20
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photo-induced insulator-metal transition of a spin-electxon coupled system (2011)
  • 著者名/発表者名: W.Koshibae, N.Furukawa, N.Nagaosa
  • 雑誌名: EPL 巻: 94 ページ: 27003(1-5)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Composite excitation of Josephson phase and spin waves in Josephson junctions with ferromagnetic insulator (2011)
  • 著者名/発表者名: S.Hikino, M.Mori, S.Takahashi, S.Maekawa
  • 雑誌名: J.Phys.Soc.Jpn 巻: 80 ページ: 074707(1-8)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anormalous enhancement of spin Hall conductivity in a superconductor/normal-metal junction (2011)
  • 著者名/発表者名: S.Hikino, S.Yunoki
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 巻: 84 ページ: 020512(R)(1-4)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermoelectric response in the incoherent transport region near Mott transition : the case study of La1-xSrxVO3 (2011)
  • 著者名/発表者名: M.Uchida, K.Oishi, M.Matsuo, W.Koshibae, Y.Onose, M.Mori, J.Fujioka, S.Miyasaka, S.Maekawa, Y.Tokura
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 巻: 83 ページ: 165127(1-5)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Composite excitation of Josephson phase and spin waves in Josephson junctions with ferromagnetic insulatorJ (2011)
  • 著者名/発表者名: S.Hikino, M.Mori, S.Takahashi, S.Maekawa
  • 雑誌名: Phys.Soc.Jpn 巻: 80 ページ: 074707(1-8)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Giant enhancement of spin accumulation and long-distance spin manipulation in metallic lateral spin valves (2011)
  • 著者名/発表者名: Y.Fukuma, L.Wang, H.Idzuchi, S.Takahashi, S.Maekawa, Y.Otani
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: 10 ページ: 527-531
  • 査読あり
• [雑誌論文] Li(Zn,Mn)As as a new generation ferromagnet based on a I-II-V semiconductor (2011)
  • 著者名/発表者名: Z.Deng, C.Q.Jin, Q.Q.Liu, X.C.Wang, J.L.Zhu, S.M.Feng, L.C.Chen, R.C.Yu, C.Arguello, T.Goko, Fanlong Ning, Jinsong Zhang, Yayu Wang, A.A.Aczel, T.Munsie, T.J.Williams, G.M.Luke, T.Kakeshita, S.Uchida, W.Higemoto, T.U.Ito, Bo Gu, S.Maekawa, G.D.Morris, Y.J.Uemura
  • 雑誌名: Nature Communcations 巻: 2 ページ: 422
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nonmonotonic temperature dependence of thermopower in strongly correlated electron systems (2011)
  • 著者名/発表者名: M.Matsuo, S.Okamoto, W.Koshibae, M.Mori, S.Maekawa
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 巻: 84 ページ: 153107(1-4)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photo-induced insulator-metal transition of a spin-electron coupled system (2011)
  • 著者名/発表者名: W.Koshibae, N.Furukawa, N.Nagaosa
  • 雑誌名: Euro.Phys.Lett 巻: 94 ページ: 27003(1-5)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reduction of intrinsic critical current density under a magnetic field along the hard axis of a free layer in a magnetic tunnel junction (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Miura, R.Sugano, M.Ichimura, J.Hayakawa, S.Ikeda, H.Ohno, S.Maekawa
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 巻: 84 ページ: 174434(1-7)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mirror symmetry and exchange of magnetic impurities mediated by electrons of Rashba spin-orbit interaction in a four-terminal Landauer setup (2010)
  • 著者名/発表者名: S.H.Chen, S.Maekawa, M.H.Liu, C.R.Chang
  • 雑誌名: J.Phys.D Appl.Phys. 巻: 43 ページ: 015003(1-9)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic properties of diluted magnetic semiconductors : Quantum Monte Carlo approach (2010)
  • 著者名/発表者名: J.Ohe, Y.Tomoda, N.Bulut, R.Arita, K.Nakamura, S.Maekawa
  • 雑誌名: J.Magn.Magn.Mater. 巻: 322 ページ: 1192-1194
  • 査読あり
• [雑誌論文] Orbital-dependent Kondo effect for Fe in Au : Combined approach of density functional theory and quantum Monte Carlo method (2010)
  • 著者名/発表者名: B.Gu, J.-Y.Gan, N.Bulut, G.-Y.Guo, N.Nagaosa, S.Maekawa
  • 雑誌名: J.Phys. : Conf.Ser. 巻: 200 ページ: 062007(1-4)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Extremely long quasiparticle spin lifetimes in superconducting aluminium using MgO tunnel spin injectors (2010)
  • 著者名/発表者名: H.Yang, S.H.Yang, S.Takahashi, S.Maekawa, S.S.P.Parkin
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: 9, 586 ページ: 586-593
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum Renormalization of the Spin Hall Effect (2010)
  • 著者名/発表者名: B.Gu, J.-Y.Gan, N.Bulut, T.Ziman, G.-Y.Guo, N.Nagaosa, S.Maekawa
  • 雑誌名: Phys.Rev.Lett. 巻: 105 ページ: 086401(1-4)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of spin-dependent screening on tunneling electroresistance and tunneling magnetoresistance in multiferroic tunnel junctions (2010)
  • 著者名/発表者名: M.Ye.Zhuravlev, S.Maekawa, E.Y.Tsymbal
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 巻: 81 ページ: 104419(1-7)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhanced pairing correlations near oxygen dopants in cuprate superconductors (2010)
  • 著者名/発表者名: G.Khaliullin, M.Mori, T.Tohyama, S.Maekawa
  • 雑誌名: Phys.Rev.Lett. 巻: 105 ページ: 257005(1-4)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surface-assisted Spin Hall Effect in Au Films with Pt Impurities (2010)
  • 著者名/発表者名: B.Gu, I.Sugai, T.Zaiman, G.Guo, N.Nagaosa, T.Seki, H.Takanashi, S.Maekawa
  • 雑誌名: Phys.Rev.Lett. 巻: 105 ページ: 216401(1-4)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Geometrical dependence of Josephson current induced by ferromagnetic resonance in ferromagnetic Josephson junctions (2010)
  • 著者名/発表者名: S.Hikino, M.Mori, S.Takahashi, S.Maekawa
  • 雑誌名: Physica C 巻: 470 ページ: S819-S821
  • 査読あり
• [雑誌論文] 磁性半導体に対する新しい数値計算法 (2010)
  • 著者名/発表者名: 大江純一郎、Bo Gu、前川禎通
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 45 ページ: 269-278
  • 査読あり
• [雑誌論文] 研究者としての40年,そしてこれから (2010)
  • 著者名/発表者名: 前川禎通
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 45 ページ: 386-387
  • 査読あり
• [雑誌論文] 次世代ナノ電子材料 (2010)
  • 著者名/発表者名: 前川禎通
  • 雑誌名: 計算工学 巻: 15 ページ: 2352-2354
  • 査読あり
• [学会発表] Magnetic resonance appeared in ferromagnetic Josephson junction (2011)
  • 著者名/発表者名: M.Mori
  • 学会等名: 2011 Gordon Godfrey Workshop on Spins and Strong Correlations
  • 発表場所: Sydney, Australia
  • 年月日: 20111024-20111028
• [学会発表] Influences of magnetic-fluctuation, resonance, and oscillation on Josephson current in superconductor/ferromagnet/superconductor junction (2011)
  • 著者名/発表者名: M.Mori
  • 学会等名: Vortex matter in nanostructured superconductors (VORTEX VII)
  • 発表場所: Rhodes, Greece
  • 年月日: 20110910-20110917
• [学会発表] 積層フェリ構造をもつMTJにおける面内/面直STOの同期モード (2011)
  • 著者名/発表者名: 菅野量子、市村雅彦、高橋三郎、前川禎通
  • 学会等名: 第72回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 山形大学
  • 年月日: 20110829-20110902
• [学会発表] Possible mechanism of enhanced pairing correlation near dopant oxygen in cuprate (2011)
  • 著者名/発表者名: M.Mori
  • 学会等名: The American Physical Society March Meeting
  • 発表場所: Dallas, USA
  • 年月日: 20110321-20110325
• [学会発表] 強相関電子系の熱起電力に関する理論的研究:スピンと軌道自由度の役割 (2011)
  • 著者名/発表者名: 小椎八重航
  • 学会等名: 第5回KEK連携研究会「熱電変換材料と新規機能物質」
  • 発表場所: 筑波大学
  • 年月日: 2011-12-17
• [学会発表] 遷移金属酸化物にみられる巨大な熱起電力に関する理論的研究 (2011)
  • 著者名/発表者名: 小椎八重航
  • 学会等名: 粉体粉末冶金協会,平成23年度秋季講演大会
  • 発表場所: 大阪大学コンベンションセンター
  • 年月日: 2011-10-26
• [学会発表] 二重交換模型を用いた接合系の光励起と緩和に関する理論的研究 (2011)
  • 著者名/発表者名: 小椎八重航
  • 学会等名: 日本物理学会2011年秋季大会
  • 発表場所: 富山大学五福キャンパス
  • 年月日: 2011-09-22
• [学会発表] Dynamics of Josephson-phase coupled with spin waves (2011)
  • 著者名/発表者名: M.Mori
  • 学会等名: The 26th International Conference on Low Temperature Physics (LT26)
  • 発表場所: Beijing, China
  • 年月日: 2011-08-13
• [学会発表] Theory of thermopower in strongly correlated electron systems : non-monotonic temperature dependence (2011)
  • 著者名/発表者名: W.Koshibae
  • 学会等名: International Discussion Meeting on Thermoelectrics and Related Functional Materials
  • 発表場所: Helsinki, Finland
  • 年月日: 2011-06-15
• [学会発表] Theory of thermopower in strongly correlated electron systems : non-monotonic temperature dependence (2011)
  • 著者名/発表者名: W.Koshibae
  • 学会等名: International Discussion Meeting on Thermoelectrics and Related Functional Materials
  • 発表場所: Helsinki, Republic of Finland
  • 年月日: 2011-06-15
• [学会発表] Materials Design of Magnetic Semiconductors-Quantum Monte Carlo Study (2011)
  • 著者名/発表者名: S.Maekawa
  • 学会等名: NASCES 2011
  • 発表場所: Tokai, Japan
  • 年月日: 2011-02-23
• [学会発表] A new method of first principles DFT+U calculations for strongly correlated electron systems (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Hamada, M.Ichimura, S.Maekawa
  • 学会等名: CMMP10
  • 発表場所: Warwick University, UK
  • 年月日: 20101214-20101216
• [学会発表] Quantum transport in nano-structure of superconductor and ferromagnet (2010)
  • 著者名/発表者名: M.Mori, S.Hikino, S.Takahashi, S.Maekawa
  • 学会等名: ARW Workshop HVAR 2010
  • 発表場所: Hvar, Croatia
  • 年月日: 20101002-20101007
• [学会発表] 熱起電力の磁場依存性に対する電子相関効果 (2010)
  • 著者名/発表者名: 松尾まり、岡本敏史、小椎八重航、森道康, 前川禎通
  • 学会等名: 日本物理学会2010年秋季大会
  • 発表場所: 大阪府立大学中百舌鳥キャンパス
  • 年月日: 20100923-20100926
• [学会発表] 二重交換模型を用いた絶縁体-金属転移に関する理論的研究 (2010)
  • 著者名/発表者名: 小椎八重航、永長直人、古川信夫
  • 学会等名: 日本物理学会2010年秋季大会
  • 発表場所: 大阪府立大学中百舌鳥キャンパス
  • 年月日: 20100923-20100926
• [学会発表] Spin injection into a superconductor (2010)
  • 著者名/発表者名: S.Takahashi
  • 学会等名: SM-2010 International Conference
  • 発表場所: Salerno, Italy
  • 年月日: 20100905-20100911
• [学会発表] Ferromagnetic Josephson Resonance (2010)
  • 著者名/発表者名: S.Maekawa
  • 学会等名: The 9th International Conference on Spectroscopies in Novel Superconductors
  • 発表場所: Shanghai, China
  • 年月日: 20100523-20100528
• [学会発表] Enhancement of pairing gap by apical and dopant oxygens in cuprates (2010)
  • 著者名/発表者名: M.Mori
  • 学会等名: The 9th International Conference on Spectroscopies in Novel Superconductors
  • 発表場所: Shanghai, China
  • 年月日: 20100523-20100528
• [学会発表] Spin injection into a superconductor in a magnetic double tunnel junction (2010)
  • 著者名/発表者名: S.Maekawa
  • 学会等名: ESF-NES Workshop 2010
  • 発表場所: Salzburg, Austria
  • 年月日: 20100504-20100508
• [学会発表] Spin injection into a superconductor (2010)
  • 著者名/発表者名: S.Maekawa
  • 学会等名: Shanghai Workshop on Spintronics and Low Dimensional Magnetism
  • 発表場所: Shanghai, China
  • 年月日: 2010-06-17