核スピン流の物性科学開拓と核スピン熱電変換

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H05600
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 齊藤 英治 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (80338251)
• 研究分担者: 塩見 雄毅 東京大学, 大学院総合文化研究科, 准教授 (10633969) ; 高橋 三郎 東北大学, 材料科学高等研究所, 学術研究員 (60171485)
• 研究期間 (年度): 2019-06-26 – 2024-03-31
• キーワード: 核スピン流 / 核スピントロニクス / 核スピンゼーベック効果 / 核スピン波 / 核磁気共鳴

研究実績の概要

本研究は、原子核スピンとスピン流物性を繋ぐ新たな学問領域「核スピン流科学」を建設するものである。本年度は主に以下の3課題について研究を進めた。
1.電流誘起核スピン流非局所輸送の開拓：Pt/MnCO3/Ptからなる微細加工素子を作製し、核スピン流の非局所輸送測定を希釈冷凍機で行った。Pt細線の一方に電流を流すことで生じるスピン蓄積（スピンホール効果）を入力としてMnCO3中の核スピン流を駆動し、その輸送効果をもう一方のPt出力端子で電気的に検出した。すると意義深いことに、超低温域まで信号が発達し、核スピンゼーベック効果と整合する温度依存性が観測された。これは固体中の核スピン流駆動とその電気的検出が実現されたことを示唆している。
2.核スピン波分光学の開拓：本研究で構築した、低温・強磁場対応の広帯域マイクロ波反射分光システムを高核スピン核種55Mnを含む金属薄膜（NiMnSb）に適用し、明瞭な核磁気共鳴（NMR）の観測に成功した。本手法に基づけば、核スピンの共鳴周波数や磁場分散に関する情報を従来よりも簡便且つ詳細に得ることができる。これは核スピントロニクスを開拓する上での新しいアプローチを提供するだけでなく、今後、従来のパルスエコーNMR法との相補利用等の高い波及効果が期待できる。
3.物質開拓：核スピン流を担う物質群の開拓のため、徐冷法に基づき55Mn核を含む高核スピン材料AMnX3(A=Cs, X=Cl)の合成及び、金属薄膜試料の作製を行った。これらを上記2の研究に適用し、核スピン波励起の観測に成功した。またこのアプローチが遍歴電子を舞台とした核スピン現象の開拓につながるなど、意義深い進展があった。引き続き、本課題の測定班と密に議論しながら、試料合成を進めていく。

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

本研究課題の中核をなす核スピンゼーベック効果の実証とその系統研究に関する成果が国内外の多くの解説記事に掲載され、本プロジェクト発の成果として大きな反響を生んでいる。また、固体中の核スピンの新しいスペクトロスコピーの開拓も順調に進み、高核スピン核種55Mnを含む金属薄膜における核磁気共鳴（NMR）を広帯域マイクロ波分光によって初めて検出することに成功した。本成果は、核スピントロニクスを開拓する上での新しいアプローチとして高い波及効果を生み出すものと期待される。また、チャレンジングなテーマとして、スピン流・電流を駆動源としたNMRの電気的励起・検出を目指す実験も進めており、最初の信号を見出すことに成功した。核スピンを用いた新しい科学技術の構築に向けて順調に研究が進展しているといえる。

今後の研究の推進方策

本年度は、(1)低対称性系における核スピントロニクス、(2)スピン流を利用した新しい核磁気共鳴法、(3)核スピンと他素励起結合系の励起状態の観測と制御について、開拓を行う。
(1)低対称系における核スピントロニクス：反転対称性が破れた系ではスピン軌道相互作用により、電子系のエネルギーバンドのスピン縮退が解ける。このような系に電場を印加すると有意な電子スピン偏極が現れる（エデルシュタイン効果）。このスピン軌道効果によって生じる非平衡電子スピン偏極と核スピンとの相互作用現象を実験的に開拓し、電場誘起電子スピン偏極を利用した核スピン状態の制御等、未開拓な現象群の観測に着手する。
(2)電流・スピン流を利用した新しい核磁気共鳴法：55Mn等の大きな核スピンをもつ核種から構成される遍歴強磁性体において、電流・スピン流を入力として生じる新しい核磁気共鳴（NMR）法の開拓とその電気的検出に挑む。遍歴強磁性体では、スピントルク効果、磁化反転等、従来の電子スピントロニクスで開拓されてきた豊富な現象群が存在する。これらの核スピン版ともいえる新しい現象群の開拓を行い、遍歴電子を舞台とした核スピントロニクスの学理創出を行う。
(3)核スピンと他素励起結合系の励起状態の観測と制御：核スピンは超微細相互作用を介して電子系と強く結合しており、例えば55Mn系のオンサイト超微細磁場の大きさは数十テスラにも及ぶことが知られている。この有効磁場と電子間相互作用を介して、核スピンと電子スピン波の混成状態「核スピン波」の形成が期待できる。この状態を電気輸送測定及び分光学的手法を通じて観測し、またその温度・磁場依存性等の系統測定を通じて、物理機構を解明する。

備考

【解説記事】吉川貴史, 齊藤英治,“核スピンを利用した熱電変換”日本熱電学会誌 18, 143－144 (2022).
【解説記事】吉川貴史, 齊藤英治,“核スピンゼーベック効果の観測”応用物理 91, 745－749 (2022).

研究成果

• [国際共同研究] カリフォルニア大学ロサンゼルス校(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: カリフォルニア大学ロサンゼルス校
• [雑誌論文] Experimental observation of nuclear-spin Seebeck effect (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Kikkawa and E. Saitoh
  • 雑誌名: JSAP Review 巻: 2023 ページ: 230403
  • DOI: 10.11470/jsaprev.230403
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spin and spin current-From fundamentals to recent progress (2023)
  • 著者名/発表者名: Maekawa, Sadamichi ; Kikkawa, Takashi; Chudo, Hiroyuki; Ieda, Jun'ichi; Saitoh, Eiji
  • 雑誌名: JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 巻: 133 ページ: 20902
  • DOI: 10.1063/5.0133335
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nonlinear Magnon Polaritons (2023)
  • 著者名/発表者名: Oscar Lee, Kei Yamamoto, Maki Umeda, Christoph W Zollitsch, Mehrdad Elyasi, Takashi Kikkawa, Eiji Saitoh, Gerrit EW Bauer, Hidekazu Kurebayashi
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW LETTERS 巻: 130 ページ: 46703
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.046703
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Mechanism of paramagnetic spin Seebeck effect (2023)
  • 著者名/発表者名: Oyanagi, Koichi; Takahashi, Saburo; Kikkawa,Takashi; Saitoh, Eiji
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW B 巻: 107 ページ: 14423
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.107.014423
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin Seebeck effect: Sensitive probe for elementary excitation, spin correlation, transport, magnetic order, and domains in solids (2023)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kikkawa, Eiji Saitoh
  • 雑誌名: ANNUAL REVIEW OF CONDENSED MATTER PHYSICS 巻: 14 ページ: 129～151
  • DOI: 10.1146/annurev-conmatphys-040721-014957
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Laser-Induced Creation of Antiferromagnetic 180-Degree Domains in NiO/Pt Bilayers (2023)
  • 著者名/発表者名: Hendrik Meer, Stephan Wust, Christin Schmitt, Paul Herrgen, Felix Fuhrmann, Steffen Hirtle, Beatrice Bednarz, Adithya Rajan, Rafael Ramos, Miguel Angel Nino, Michael Foerster, Florian Kronast, Armin Kleibert, Baerbel Rethfeld, Eiji Saitoh, Benjamin Stadtmuller, Martin Aeschlimann, Mathias Klaeui
  • 雑誌名: ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS 巻: 2023 ページ: 2213536
  • DOI: 10.1002/adfm.202213536
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Emission of coherent THz magnons in an antiferromagnetic insulator triggered by ultrafast spinphonon interactions (2023)
  • 著者名/発表者名: E Rongione, O Gueckstock, M Mattern, O Gomonay, H Meer, C Schmitt, R Ramos, T Kikkawa, M Micica, E Saitoh, J Sinova, H Jaffres, J Mangeney, STB Goennenwein, S Geprags, T Kampfrath, M Klaeui, M Bargheer, TS Seifert, S Dhillon, R Lebrun
  • 雑誌名: NATURE COMMUNICATIONS 巻: 14 ページ: 1818
  • DOI: 10.1038/s41467-023-37509-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Giant Magnetochiral Anisotropy in Weyl Semimetal WTe2 Induced by Diverging Berry Curvature (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomoyuki Yokouchi, Yuya Ikeda, Takahiro Morimoto, and Yuki Shiomi
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW LETTERS 巻: 130 ページ: 136301
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.136301
  • 査読あり
• [雑誌論文] Trapping and manipulating skyrmions in two-dimensional films by surface acoustic waves (2023)
  • 著者名/発表者名: Yu Miyazaki, Tomoyuki Yokouchi and Yuki Shiomi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 13 ページ: 1922
  • DOI: 10.1038/s41598-023-29022-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantum oscillations from Fermi arc surface states in Cd3As2 submicron wires (2022)
  • 著者名/発表者名: Miyazaki, Y ; Yokouchi, T ; Shibata, K ; Chen, Y ; Arisawa, H ; Mizoguchi, T ; Saitoh, E ; Shiomi, Y
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW RESEARCH 巻: ４ ページ: L022002
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.L022002
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Coherent oscillation between phonons and magnons (2022)
  • 著者名/発表者名: Hioki, T ; Hashimoto, Y ; Saitoh, E
  • 雑誌名: COMMUNICATIONS PHYSICS 巻: 5 ページ: 115
  • DOI: 10.1038/s42005-022-00888-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Observation of spin-current striction in a magnet (2022)
  • 著者名/発表者名: Arisawa, H; Shim, H; Daimon; H, Kikkawa, T; Oikawa, Y; Takahashi, S; Ono, T; Saitoh, E
  • 雑誌名: NATURE COMMUNICATIONS 巻: 13 ページ: 2440
  • DOI: 10.1038/s41467-022-30115-y
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Deciphering quantum fingerprints in electric conductance (2022)
  • 著者名/発表者名: Daimon, S; Tsunekawa, K; Kawakami, S; Kikkawa, T; Ramos, R; Oyanagi, K; Ohtsuki T; Saitoh E
  • 雑誌名: NATURE COMMUNICATIONS 巻: 13 ページ: 3160
  • DOI: 10.1038/s41467-022-30767-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The Damage Analysis for Irradiation Tolerant Spin-Driven Thermoelectric Device Based on Single-Crystalline Y3Fe5O12/Pt Heterostructures (2022)
  • 著者名/発表者名: Ieda, J ; Okayasu, S; Harii, K; Kobata, M; Yoshii, K; Fukuda, T; Ishida, M ; Saitoh, E
  • 雑誌名: IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS 巻: 58 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1109/TMAG.2022.3145888
  • 査読あり
• [雑誌論文] Real-space observation of standing spin-wave modes in a magnetic disk (2022)
  • 著者名/発表者名: Hioki Tomosato、Araki Tomonao、Umemura Kosuke、Hoshi Koujiro、Saitoh Eiji
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 121 ページ: 132402
  • DOI: 10.1063/5.0098772
  • 査読あり
• [雑誌論文] Composition-tunable magnon-polaron anomalies in spin Seebeck effects in epitaxial Bi x Y 3－ x Fe 5 O 12 films (2022)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kikkawa; Koichi Oyanagi; Tomosato Hioki; Masahiko Ishida; Zhiyong Qiu; Rafael Ramos; Yusuke Hashimoto; Eiji Saitoh
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW MATERIALS 巻: 6 ページ: 104402
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.6.104402
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Stochastic dynamics of a metal magnon parametron (2022)
  • 著者名/発表者名: Hioki, Tomosato and Saitoh, Eiji
  • 雑誌名: JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 巻: 132 ページ: 203901
  • DOI: 10.1063/5.0123221
  • 査読あり
• [雑誌論文] Phase-change control of anomalous Hall effect in ferromagnetic MnBi thin films (2022)
  • 著者名/発表者名: Siyue Zhang; Yu Miyazaki; Tomoyuki Yokouchi; Yuki Shiomi
  • 雑誌名: APPLIED PHYSICS LETTERS 巻: 121 ページ: 262402
  • DOI: 10.1063/5.0121284
  • 査読あり
• [雑誌論文] Advances in Magnetics Roadmap on Spin-Wave Computing (2022)
  • 著者名/発表者名: Chumak A. V.、Kabos P.、Wu M.、Abert C.、Adelmann C.、Adeyeye A. O.、Akerman J.、Aliev F. G.、Anane A.、Awad A.、Back C. H.、Barman A.、Bauer G. E. W.、Becherer M.、Beginin E. N.、Bittencourt V. A. S. V.、Blanter Y. M.、Bortolotti P.、Boventer I.、Bozhko D. A.、Kikkawa T., Saitoh E. et al
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Magnetics 巻: 58 ページ: 800172
  • DOI: 10.1109/TMAG.2022.3149664
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 原子核を利用したスピントロニクスの開拓 (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉川貴史
  • 学会等名: 第４回若手放談会：エキゾチック核物理の将来
  • 招待講演
• [学会発表] 核スピンを利用した低温熱電変換 (Nuclear-spin driven low-temperature thermoelectric effect) (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉川貴史, 齊藤英治
  • 学会等名: 第14回 低温科学研究センター研究交流会
• [学会発表] キャント反強磁性体MnCO3のマイクロ波分光 (2023)
  • 著者名/発表者名: 巻内崇彦, 吉川貴史, シッチャヌギリッツ タナポーン, 沼田淳希, 高橋三郎, 齊藤英治
  • 学会等名: 第14回 低温科学研究センター研究交流会
• [学会発表] Microwave spectroscopy for field dispersions in MnCO3 (MnCO3磁場分散のマイクロ波分光) (2023)
  • 著者名/発表者名: 巻内崇彦, 吉川貴史, シッチャヌギリッツ タナポーン, 沼田淳希, 高橋三郎, 齊藤英治
  • 学会等名: 第70回 応用物理学会 春季学術講演会
• [学会発表] NiMnSbにおける核-電子スピン共鳴スペクトロスコピー (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉川貴史, 沼田淳希, 窪田崇秀, 関剛斎, 中堂博之, 巻内崇彦, 埋田真樹, 高梨弘毅, 齊藤英治,
  • 学会等名: 日本物理学会 2023年春季大会
• [学会発表] Observation of nuclear-spin Seebeck effect in Pt/MnCO3 (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Kikkawa, D. Reitz, H. Ito, T. Makiuchi, T. Sugimoto, K. Tsunekawa, S. Daimon, K. Oyanagi, R. Ramos, S. Takahashi, Y. Shiomi, Y. Tserkovnyak, and E. Saitoh
  • 学会等名: SPIE Nanoscience + Engineering, Spintronics XV
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Microwave spectroscopy of canted antiferromagnet MnCO3 (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Makiuchi, T. Kikkawa, T. Sichanugrist, J. Numata, S. Takahashi, and E. Saitoh
  • 学会等名: 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT23)
  • 国際学会
• [学会発表] Coupling of electron and nuclear spins in spin caloritronics (2022)
  • 著者名/発表者名: E.Saitoh
  • 学会等名: Spin Caloritronics XI
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Strong suppression of the spin Seebeck effect in a nearly compensated ferrimagnet. (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Ramos, T. Hioki, T. Kikkawa, Y. Hashimoto, F. Rivadulla, E. Saitoh
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会（オンライン）
• [学会発表] 強磁性体のパラメトリック励起によるマグノン熱スクイーズド状態の観測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 日置友智, 星幸治郎, 小林海翔, 清水祐樹, 巻内崇彦, 齊藤英治
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会（オンライン）
• [学会発表] 磁性体におけるコヒーレンス異常の観測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 巻内崇彦, 日置友智, 清水祐樹, 星幸治郎, Mehrdad Elyasi, 山本慧, 横井直人, Gerrit E. W. Bauer, 齊藤英治
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会（オンライン）
• [学会発表] 磁性体におけるコヒーレンス異常に対する時間分解トモグラフィ測定 (2022)
  • 著者名/発表者名: 清水祐樹, 日置友智, 巻内崇彦, 星幸治郎, Mehrdad Elyasi, 山本慧, 横井直人, Gerrit E. W. Bauer, 齊藤英治
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会（オンライン）
• [学会発表] Theory of Persistent Coherence in Excited Magnetic Particles (2022)
  • 著者名/発表者名: Mehrdad Elyasi, K. Yamamoto, T. Hioki, T. Makiuchi, H. Shimizu, K. Hoshi, N. Yokoi, Gerrit E. W. Bauer, E. Saitoh
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会（オンライン）
• [学会発表] 磁性体ディスクにおける磁化緩和に対する数値計算 (2022)
  • 著者名/発表者名: 星幸治郎, 日置友智, 巻内崇彦, 清水祐樹, Mehrdad Elyasi, 山本慧, 横井直人, Gerrit E. W. Bauer, 齊藤英治
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会（オンライン）
• [学会発表] Observation of persistent coherence in Y3Fe5O12 (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Makiuchi, T. Hioki, H. Shimizu, K. Hoshi, M. Elyasi, K. Yamamoto, N. Yokoi, G. E. W. Bauer, E. Saitoh
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Time resolved state tomography for time evolution of parametric oscillation of magnetization (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Shimizu, T. Hioki, E. Saitoh
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [備考] 日本学士院賞
  • URL: https://www.japan-acad.go.jp/pdf/youshi/112/saitoh_eiji.pdf
• [備考] 仁科記念賞
  • URL: https://www.nishina-mf.or.jp/wp/wp-content/uploads/2022/11/2022NMPj.pdf
• [備考] 磁性体の体積はスピン流で変化する ―スピントロニクスを応用した精密機械の力学制御に道―
  • URL: https://www.t.u-tokyo.ac.jp/press/pr2022-05-12-001
• [備考] AIを利用し「量子指紋」を解読することに成功 ー電気抵抗からナノ微細構造を再現ー
  • URL: https://www.t.u-tokyo.ac.jp/press/pr2022-06-09-001
• [産業財産権] 非線形熱電効果測定装置、非線形熱電効果測定方法、非線形熱電効果測定プログラム、記録媒体および温度揺らぎ環境発電素子 (2022)
  • 発明者名: 齊藤英治, 吉川貴史, 藤本雄人, 有沢洋希
  • 権利者名: 齊藤英治, 吉川貴史, 藤本雄人, 有沢洋希
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2022-202688
• [産業財産権] 磁化成分測定装置、磁化成分測定方法、磁化成分測定プログラムおよび記録媒体 (2022)
  • 発明者名: 齊藤英治、日置友智、清水祐樹、巻内崇彦、横井直人
  • 権利者名: 齊藤英治、日置友智、清水祐樹、巻内崇彦、横井直人
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2022-103276
• [産業財産権] 情報生成装置及び情報生成方法 (2022)
  • 発明者名: 齊藤英治、日置友智、清水祐樹、巻内崇彦、星幸治郎
  • 権利者名: 齊藤英治、日置友智、清水祐樹、巻内崇彦、星幸治郎
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2022-116737