スピンゼーベック効果と熱流―スピン相互利用の系統的研究

2010 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21244058
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 齊藤 英治 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (80338251)
• 研究分担者: 藤川 安仁 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (70312642) ; 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, 研究員 (20463797)
• キーワード: スピンゼーベック効果 / スピントロニクス / スピン流 / 熱電効果

研究概要

スピンゼーベック効果について、鉄ガーネット、鉄フェライト系を対象とした測定を行い、殆どの物質系でスピンゼーベック信号電圧を観測することに成功した。特に、実用性の高いフェライトについては、細かく組成(遷移金属サイトの置換)や組織依存性を調べた。その結果、磁気モーメントが大きいフェライトでは結晶性の悪い焼結体でも大きなスピンゼーベック効果が得られることが明らかになった。また、Bi添加によってスピン生成効率が増大することも見出されており、スピンゼーベック効果の効率増大への指針を得た。これらの系について、前川・バウアーの理論モデルを用いて評価を行い、スピンゼーベック効果に関する基本的指針を得た。
次に、Py/Pt二層膜ワイヤーを絶縁体基板上に成膜し、基板に一様な温度勾配を付ける実験を行った。従来の試料系とは異なり、本試料では温度勾配に沿った方向のキャリアはフォノンに限定されている。ゆえに、この系においてスピンゼーベック効果が発現すれば、フォノンを介したスピン圧生成プロセスが存在することの決定的な証拠になる。この試料において、Py/Ptワイヤーは電気的・磁気的に完全に孤立しているにもかかわらず、Pt層に発生した起電力はワイヤーの接合位置に依存して変化し、ワイヤーを基板の高温側に接合した場合、低温側に接合した場合でそれぞれ起電力信号の符号が反転することを見出した。この結果は、金属ワイヤー中の電子が"絶縁体基板上の位置を認識している"という驚くべき性質を示している。

研究成果

• [雑誌論文] Spin current study of spin glass AgMn using spin pumping effect (2011)
  • 著者名/発表者名: R.Iguchi
  • 雑誌名: Journal of Physics (conference series) 巻: 266 ページ: 012089_1-012089_4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Inverse spin-Hall effect induced by spin pumping in different size Ni81Fe19/Pt films (2011)
  • 著者名/発表者名: H.Nakayama
  • 雑誌名: Journal of Physics (conference series) 巻: 266 ページ: 012100_1-012100_4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin pumping and magnetization-precession trajectory in thin film systems (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Nonaka
  • 雑誌名: Journal of Physics (conference Series) 巻: 266 ページ: 012101_1-012101_4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantifying spin mixing conductance in F/Pt (F=Ni, Fe, and Ni81Fe19) bilayer film (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Yoshino
  • 雑誌名: Journal of Physics (conference Series) 巻: 266 ページ: 012115_1-012115_4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of mechanical rotation on spin currents (selected as Editor's Suggestion) (2011)
  • 著者名/発表者名: M.Matsuo
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 106 ページ: 076601_1-076601_1_4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electric detection of the spin-Seebeck effect in ferromagnetic metals (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Uchida
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 107 ページ: 09A951_1-09A951_5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct conversion of light-polarization information into electric voltage using photoinduced inverse spin-Hall effect in Pt/GaAs hybrid structure : Spin photodetector (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Ando
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 107 ページ: 113902_1-113902_5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Inverse spin-Hall effect induced by spin pumping in various metals (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Ando
  • 雑誌名: IEEE transactions on magnetics 巻: 46 ページ: 1331-1333
  • 査読あり
• [雑誌論文] Inverse spin-Hall effect induced by spin pumping in different thickness Pt films (2010)
  • 著者名/発表者名: H.Nakayama
  • 雑誌名: IEEE Transaction on Magnetics 巻: 46 ページ: 2202-2204
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theory of magnon-driven spin Seebeck effect (2010)
  • 著者名/発表者名: J.Xiao
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 81 ページ: 214418_1-214418_8
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin Seebeck insulator (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Uchida
  • 雑誌名: Nature materials 巻: 9 ページ: 894-897
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of longitudinal spin-Seebeck effect in magnetic insulators (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Uchida
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 96 ページ: 172505_1-172505_3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Inverse spin-Hall effect in palladium at room temperature (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Ando
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 108 ページ: 113925_1-113925_4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhancement of the spin pumping efficiency by spin wave mode selection (2010)
  • 著者名/発表者名: C.W.Sandweg
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 97 ページ: 252504_1-252504_3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Gigantic enhancement of spin Seebeck effect by phonon drag (2010)
  • 著者名/発表者名: H.Adachi
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 97 ページ: 252506_1-252506_3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Longitudinal spin-Seebeck effect in sintered polycrystalline (Mn, Zn) Fe2O4 (2010)
  • 著者名/発表者名: K.Uchida
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 97 ページ: 262504_1-262504_3
  • 査読あり
• [学会発表] モット絶縁体のスピントロニクス (2011)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 磁性薄膜・多層膜を究める:キャラクタリゼーションから新奇材料の創製へ
  • 発表場所: 筑波(特別講演)
  • 年月日: 2011-03-11
• [学会発表] Spin current generation from insulators and metals (2011)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: The 3rd Science web GCOE International Symposium
  • 発表場所: 仙台
  • 年月日: 2011-02-17
• [学会発表] スピントロニクスとスピン流 (2011)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 第20回先端材料科学若手フォーラム
  • 発表場所: 船橋(特別講演)
  • 年月日: 2011-02-05
• [学会発表] Spin current generation from metals and insulators (2011)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: International Symposium "Nanoscience and Quantum Physics 2011
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2011-01-25
• [学会発表] 金属系のスピンゼーベック効果 (2011)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: SORSTシンポジウム「IT/BTならびに省エネの支え役「磁性材料」の将来像」
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2011-01-19
• [学会発表] スピン流物理 (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 応用物理学会スピントロニクス入門セミナー
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2010-12-07
• [学会発表] スピン流の生成と計測 (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 日本表面科学会中部支部会
  • 発表場所: 浜松
  • 年月日: 2010-11-27
• [学会発表] Spin current generation from insulators and metals (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Magnetism and Magnetic Materials Conference 2010
  • 発表場所: Atlanta(米国)
  • 年月日: 2010-11-17
• [学会発表] (Plenary Talk) Spin current coupled with charge and heat currents (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: The IEEE 7th International Symposium on Metallic Multilayers (MML2010)
  • 発表場所: Berkeley(米国)
  • 年月日: 2010-09-19
• [学会発表] モット絶縁体のスピントロニクス (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 長崎
  • 年月日: 2010-09-16
• [学会発表] 誘電体スピントロニクス材料開拓とスピン光機能 (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 長崎
  • 年月日: 2010-09-15
• [学会発表] Spin Hall and spin torque effects in metal and insulator films (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 第34回日本磁気学会学術講演会
  • 発表場所: 筑波
  • 年月日: 2010-09-05
• [学会発表] Spin Current Physics (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 4th IMR-Korea University Seminar
  • 発表場所: Seoul(韓国)(特別講演)
  • 年月日: 2010-08-25
• [学会発表] スピンと熱 (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 2010年度日本物理学会科学セミナー「スピントロニクス-最先端の物理と技術-」
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2010-08-20
• [学会発表] Spin Seebeck effect (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Gordon Research Conferences, Magnetic Nanostructures
  • 発表場所: Lewiston(米国)
  • 年月日: 2010-08-12
• [学会発表] スピンゼーベック効果 (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 日本磁気学会第173回研究会「エネルギー関連技術としての熱と磁気」
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2010-08-03
• [学会発表] スピントロニクスとスピン流 (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 第29回電子材料シンポジウム
  • 発表場所: 静岡
  • 年月日: 2010-07-14
• [学会発表] Spin Seebeck effect (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 3rd International Conference on Spintronics Materials and Technology
  • 発表場所: Illinois(米国)
  • 年月日: 2010-06-23
• [学会発表] Spin current detection and generation using spin-Hall effect (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Ninth International Workshop on Surface, Interface and Thin Film Physics
  • 発表場所: Shanghai(中国)
  • 年月日: 2010-06-17
• [学会発表] Spin current generation and detection (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Progress in SSpintronics and Graphene Research, Kavli Institute for Theoretical Physics China at the Chinese Academy of Sciences
  • 発表場所: Beijing(中国)
  • 年月日: 2010-06-08
• [学会発表] Spin Hall and spin Seebeck effects (2010)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Third International Conference on Nanospintronics Design and Realization
  • 発表場所: 大阪
  • 年月日: 2010-06-02
• [備考]
  • URL: http://saitoh.imr.tohoku.ac.jp/
• [産業財産権] 熱電変換素子、熱電変換素子の製造方法および熱電変換方法 (2011)
  • 発明者名: 桐原明宏, 中村泰信, 萬伸一, 内田健一, 齊藤英治
  • 権利者名: 東北大学・日本電気株式会社
  • 産業財産権番号: 特願、2011-025797
  • 出願年月日: 2011-02-09
• [産業財産権] 音波-スピン流変換素子 (2011)
  • 発明者名: 齊藤英治, 内田健一
  • 権利者名: 学校法人慶應義塾
  • 産業財産権番号: 特願、2011-052393
  • 出願年月日: 2011-03-10
• [産業財産権] 熱電変換素子及び熱電変換装置 (2010)
  • 発明者名: 内田健一, 齊藤英治
  • 権利者名: 学校法人慶應義塾
  • 産業財産権番号: 特願、2010-195508
  • 出願年月日: 2010-09-01