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

2011 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

前年度までに行った研究により、スピンゼーベック効果によって生成されるスピン流の起源は、磁性体中の局在スピン(マグノン)と金属薄膜中の伝導電子との間に誘起される熱的非平衡性であることを見出している。本年度は、この原理を応用することで、磁性体に音波(縦波バルク音波や表面弾性波)を直接注入することでもスピンゼーベック効果を励起可能であることを実験・理論の両面から明らかにした。これは磁性体中のマグノン-フォノン相互作用と界面スピン混成コンダクタンスに基づくものであり、様々な試料構造においてこの相互作用を系統的に調べることで、これまで未解明だった強磁性金属中の温度勾配誘起スピン圧の長距離性の微視的起源を明らかにした。
また、応用に向けた研究として、スピンゼーベック効果を用いて効果的に熱から電圧やスピン圧を取り出すための試料構造・素子作製プロセスの探索を行った。その結果、塗布技術を利用した全薄膜構造におけるスピンゼーベック効果の観測やアモルファス基板上への高品質磁性絶縁体/金属薄膜複合構造試料の作製、金属薄膜層の複合サーモパイル構造化によるスピンゼーベック信号の増大効果の観測などを実現した。スピンゼーベック効果を用いた熱電発電は、製造プロセスの簡便さや材料コストの面で従来型のゼーベック効果を用いた熱電技術よりも有利であり、本研究で開拓した基盤技術を発展させることにより、全く新しい物理原理によって駆動される熱電発電を実現可能である。

研究成果

• [雑誌論文] All-oxide system for spin pumping (2012)
  • 著者名/発表者名: Z.Qiu, Y.kajiwara, K.Ando, Y.Fujikawa, K.Uchida, T.Tashiro, K.Harii, T.Yoshino, E.Saitoh
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 100 ページ: 022402_1-022402_3
  • DOI: DOI:10.1063/1.3675463
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electroresistance effect in gold thin film induced by ionic liquid gated electric double layer (2012)
  • 著者名/発表者名: H.Nakayama, J.Ye, T.Ohtani, Y.Fujikawa, K.Ando, Y.Iwasa, E.Saitoh
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 5 ページ: 023002_1-023002_3
  • DOI: DOI:10.1143/APEX.5.023002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of inverse spin-Hall effect in silicon (2012)
  • 著者名/発表者名: K.Ando, E.Saitoh
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 3 ページ: 629_1-629_6
  • DOI: DOI:10.1038/ncomms1640
  • 査読あり
• [雑誌論文] Scaling fit of spin pumping in various ferromagnetic materials (2012)
  • 著者名/発表者名: T.Yoshino, K.Ando, Y.Kajiwara, H.Nakayama, E.Saitoh
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 111 ページ: 07C502_1-07C502_3
  • DOI: DOI:10.1063/1.3670462
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrical determination of spin mixing conductance at metal/insulator interface using inverse spin Hall effect (2012)
  • 著者名/発表者名: R.Takahashi, R.Iguchi, K.Ando, H.Nakayama, T.Yoshino, E.Saitoh
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 111 ページ: 07C307_1-07C307_3
  • DOI: DOI:10.1063/1.3673429
  • 査読あり
• [雑誌論文] Acoustic spin pumping : Direct generation of spin currents from sound waves in Pt/Y3Fe5O12 hybrid structures (2012)
  • 著者名/発表者名: K.Uchida, H.Adachi, T.An, H.Nakayama, M.Toda, B.Hillebrands, S.Maekawa, E.Saitoh
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 111 ページ: 053903_1-053903_3
  • DOI: DOI:10.1063/1.3688332
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermal artifact on the spin Seebeck effect in metallic thin films deposited on MgO substrates (2012)
  • 著者名/発表者名: S.Bosu. Y.Sakuraba, K.Uchida, K.Saito, W.Kobayashi, E.Saitoh, K.Takanashi
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 111 ページ: 07B106_1-07B106-3
  • DOI: DOI:10.1063/1.3677824
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin pumping in a ferromagnetic/nonmagnetic/spin-sink trilayer film : spin current termination (2012)
  • 著者名/発表者名: K.Harii, Z.Qiu, T.Iwashita, Y.Kajiwara, K.Uchida, K.Ando, T.An, Y.Fujikawa, E.Saitoh
  • 雑誌名: Key Engineering Materials 巻: 508 ページ: 266-270
  • DOI: DOI:10.4028/www.scientific.net/KEM.508.266
  • 査読あり
• [雑誌論文] Suppression of spin pumping in the presence of thin titanium interlayer (2012)
  • 著者名/発表者名: H.Nakayama, T.Tashiro, R.Takahashi, Y.Kajiwara, T.Ohtani, K.Ando, R.Iguchi, K.Uchida, T.Yoshino, E.Saitoh
  • 雑誌名: Key Engineering Materials 巻: 508 ページ: 347-352
  • DOI: DOI:10.4028/www.scientific.net/KEM.508.347
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrically tunable spin injector free from the impedance mismatch problem (2011)
  • 著者名/発表者名: K. Ando, S. Takahashi, J. Ieda, H. Kurebayashi, T. Trypiniotis, C. H. W. Barnes, S. Maekawa, E. Saitoh
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: 10 ページ: 655-659
  • 査読あり
• [雑誌論文] Universality of the spin pumping in metallic bilayer Films (2011)
  • 著者名/発表者名: T Yoshino, K Ando, K Harii, H Nakayama, Y Kajiwara, E Saitoh
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 98 ページ: 132503_1-132503_3
  • DOI: DOI:10.1063/1.3571556
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin Pumping Efficiency from Half Metallic Co2MnSi (2011)
  • 著者名/発表者名: H.Chudo, K.Ando, K.Saito, S.Okayasu, R.Haruki, Y.Sakuraba, H.Yasuoka, K.Takanashi, E.Saitoh
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 464 ページ: 073915_1-073915_4
  • DOI: DOI:10.1063/1.3556433
  • 査読あり
• [雑誌論文] Inverse spin-Hall effect induced by spin pumping in metallic system (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Ando, S.Takahashi, J.Ieda, Y.Kajiwara, H.Nakayama, T.Yoshino, K.Harii, Y.Fujikawa, M.Matsuo, S.Maekawa, E.Saitoh
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 109 ページ: 103913_1-103913_11
  • DOI: DOI:10.1063/1.3587173
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin Pumping by Parametrically Excited Exchange Magnons (2011)
  • 著者名/発表者名: C.W.Sandweg, Y.Kajiwara, A.V.Chumak, A.A.Serga, V.I.Vasyuchka, M.B.Jungfleisch, E.Saitoh, B.Hillebrands
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 106 ページ: 216601_1-216601_4
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevLett.106.216601
  • 査読あり
• [雑誌論文] Detection of spin-wave spin current in a magnetic insulator (2011)
  • 著者名/発表者名: Y.Kajiwara, S.Takahashi, S.Maekawa, E.Saitoh
  • 雑誌名: IEEE Transaction on Magnetics 巻: 47 ページ: 1591-1594
  • DOI: DOI:10.1109/TMAG.2011.2118747
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin current depolarization under high electric fields in undoped InGaAs (2011)
  • 著者名/発表者名: N.Okamoto, H.Kurebayashi, K.Harii, Y.Kajiwara, H.Beere, I.Farrer, T.Trypiniotis, K.Ando, D.A.Ritchie, C.H.W.Barnes, E.Saitoh
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 98 ページ: 242104_1-242104_3
  • DOI: DOI:10.1063/1.3599599
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin current generation due to mechanical rotation in the presence of impurity scattering (2011)
  • 著者名/発表者名: M.Matsuo, J.Ieda, E.Saitoh, S.Maekawa
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 98 ページ: 242501_1-242501_3
  • DOI: DOI:10.1063/1.3597220
  • 査読あり
• [雑誌論文] Frequency Dependence of Spin Pumping in Pt/Y3Fe5O12 Film (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Harii, T.An, Y.Kajiwara, K.Ando, H.Nakayama, T.Yoshino, E.Saitoh
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 109 ページ: 116105_1-116105_3
  • DOI: DOI:10.1063/1.3594661
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin Seebeck effect in thin films of the Heusler compound Co2MnSi (2011)
  • 著者名/発表者名: S.Bosu, Y.Sakuraba, K.Uchida, K.Saito, T.Ota, E.Saitoh, K.Takanashi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 83 ページ: 224401_1-224401_6
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.83.224401
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electric detection of the spin-Seebeck effect in magnetic insulator in the presence of interface barrier (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Uchida, T.Ota, Y.Kajiwara, H.Umezawa, H.Kawai, E.Saitoh
  • 雑誌名: Journal of Physics : Conference Series 巻: 303 ページ: 012096_1-012096_4
  • DOI: DOI:10.1088/1742-6596/303/1/012096
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin-dependent inertial force and spin current in accelerating systems (2011)
  • 著者名/発表者名: M.Matsuo, J.Ieda, E.Saitoh, S.Maekawa
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 84 ページ: 104410_1-104410_9
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.84.104410
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nonlinear spin pumping induced by parametric excitation (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Ando, T.An, E.Saitoh
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 99 ページ: 092510_1-092510_4
  • DOI: DOI:10.1063/1.3633348
  • 査読あり
• [雑誌論文] Long-range spin Seebeck effect and acoustic spin pumping (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Uchida, H.Adachi, T.An, T.Ota, M.Toda, B.Hillebrands, S.Maekawa, E.Saitoh
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: 10 ページ: 737-741
  • DOI: DOI:10.1038/NMAT3099
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin pumping in polycrystalline magnetic insulator/metal Pt films (2011)
  • 著者名/発表者名: Y.Kajiwara, K.Ando, H.Nakayama, R.Takahashi, E.Saitoh
  • 雑誌名: IEEE Transaction on Magnetics 巻: 47 ページ: 2739-2742
  • DOI: DOI:10.1109/TMAG.2011.2150737
  • 査読あり
• [雑誌論文] Temporal evolution of inverse spin Hall effect voltage in a magnetic insulator-nonmagnetic metal structure (2011)
  • 著者名/発表者名: M.B.Jungfleisch, A.V.Chumak, V.I.Vasyuchka, A.A.Serga, B.Obry, H.Schultheiss, P.A.Beck, A.D.Karenowska, E.Saitoh, B.Hillebrands
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 99 ページ: 182512_1-182512_3
  • DOI: DOI:10.1063/1.3658398
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surface-acoustic-wave-driven spin pumping in Y3Fe5O12/Pt hybrid structures (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Uchida, T.An, Y.Kaiiwara, M.Toda, E.Saitoh
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 99 ページ: 212501_1-212501_3
  • DOI: DOI:10.1063/1.3662931
  • 査読あり
• [雑誌論文] Continuous Generation of Spinmotive Force in a Patterned Ferromagnetic Film (2011)
  • 著者名/発表者名: Y.Yamane, K.Sasage, T.An, K.Harii, J.Ohe, J.Ieda, S.E.Barnes, E.Saitoh, S.Maekawa
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 107 ページ: 236602_1-236602_4
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevLett.107.236602
  • 査読あり
• [雑誌論文] Two-dimensional temperature mapping using spin-Seebeck insulator (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Uchida, A.Kirihara, M.Ishida, R.Takahashi, E.Saitoh
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics (Rapid Communication) 巻: 50 ページ: 120211_1-120211_3
  • DOI: DOI:10.1143/JJAP.50.1202111
  • 査読あり
• [学会発表] スピン流の熱・音響効果 (2012)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 日本物理学会2012年年次大会
  • 発表場所: 神戸(招待講演)
  • 年月日: 2012-03-25
• [学会発表] Spin pumping and spin Seebeck effect (2012)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: American Physical Society March Meeting 2012
  • 発表場所: Boston(米国)(招待講演)
  • 年月日: 2012-03-01
• [学会発表] スピン流の物理と応用 (2012)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 金属錯体の固体物性科学最前線-錯体化学と固体物性物理と生物物性の連携新領域創成をめざして-
  • 発表場所: 仙台(招待講演)
  • 年月日: 2012-01-22
• [学会発表] Spin current generation from heat and magnetic dynamics (2012)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: The 2nd ASRC International Workshop on Magnetic Materials and Nanostructures
  • 発表場所: 東海(招待講演)
  • 年月日: 2012-01-11
• [学会発表] Spin current generation and utilization (2012)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Spin Caloric Transport
  • 発表場所: Bad Honnef(ドイツ)(招待講演)
  • 年月日: 2012-01-05
• [学会発表] スピン流とスピントロニクス (2011)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 第15回NAIST科学技術セミナー「グリーンデバイステクノロジー」
  • 発表場所: 奈良(招待講演)
  • 年月日: 2011-12-19
• [学会発表] Spin Current in Metals and Insulators (2011)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: The FIRST-QS2C Workshop on "Emergent Phenomena of Correlated Materials"
  • 発表場所: 沖縄(招待講演)
  • 年月日: 2011-12-13
• [学会発表] Spin current physics and application (2011)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: The 7th International Conference on Advanced Materials and Devices
  • 発表場所: Jeju(韓国)(招待講演)
  • 年月日: 2011-12-07
• [学会発表] Spin current physics and application (2011)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Joint Polish-Japanese Workshop : Spintronics-from new materials to applications
  • 発表場所: Warsaw(ポーランド)(招待講演)
  • 年月日: 2011-11-18
• [学会発表] 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: 応用物理学会スピントロニクス研究会・日本磁気学会スピンエレクトロニクス専門研究会協賛「スピン流と熱効果の新現象」
  • 発表場所: 仙台(招待講演)
  • 年月日: 2011-11-14
• [学会発表] Spin current generation using heat and magnetic dynamics (2011)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Magnetism and Magnetic Materials Conference 2011
  • 発表場所: Scottsdale(米国)(招待講演)
  • 年月日: 2011-10-31
• [学会発表] 「スピン流」を利用した電子デバイス実現の可能性～非連続的技術を用いた次世代の省エネルギーデバイスの開発に向けて～ (2011)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 次世代ものづくり基盤技術産業展-TECH Biz EXPO 2011-
  • 発表場所: 名古屋(招待講演)
  • 年月日: 2011-10-21
• [学会発表] Spin current generation using heat and magnetic dynamics (2011)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 2011 International Conference on Solid State Devices and Materials
  • 発表場所: 名古屋(招待講演)
  • 年月日: 2011-09-30
• [学会発表] スピン流の基礎物理 (2011)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 日本物理学会2011年秋季大会
  • 発表場所: 富山(招待講演)
  • 年月日: 2011-09-21
• [学会発表] Spin current generation using heat and magnetic dynamics (2011)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 2011 OSU Materials Week
  • 発表場所: Ohio(米国)(招待講演)
  • 年月日: 2011-09-13
• [学会発表] Spin Seebeck effect (2011)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: ASPIMATT school on "Advanced spintronic materials and transport phenomena"
  • 発表場所: Diemerstein(ドイツ)(招待講演)
  • 年月日: 2011-08-25
• [学会発表] スピン流の物理と応用 (2011)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: サイエンスサマー道場
  • 発表場所: 長野(招待講演)
  • 年月日: 2011-08-18
• [学会発表] スピン流と熱 (2011)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: スピン流を用いた新機能デバイスの開発
  • 発表場所: 東京(招待講演)
  • 年月日: 2011-08-11
• [学会発表] Spin current generation from magnetic dynamics and heat (2011)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 5th International Workshop on Spin Current
  • 発表場所: 仙台(招待講演)
  • 年月日: 2011-07-28
• [学会発表] Spin current generation from magnetic dynamics and heat (2011)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: JSPS York-Tohoku Research Symposium on "Magnetic Materials and Spintronics"
  • 発表場所: York(英国)(招待講演)
  • 年月日: 2011-06-28
• [学会発表] Spin Hall effect and its application (2011)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: International Center for Quantum Materials
  • 発表場所: Beijing(中国)(招待講演)
  • 年月日: 2011-06-21
• [学会発表] Spin Seebeck effect (experiment) (2011)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Spin Caloritronics III
  • 発表場所: Leiden(オランダ)(招待講演)
  • 年月日: 2011-05-10
• [学会発表] Spin pumping and spin Seebeck effects in insulators and metals (2011)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 2011 Materials Research Society Spring Meeting
  • 発表場所: San Francisco(米国)(招待講演)
  • 年月日: 2011-04-28
• [図書] 熱電変換技術の基礎と応用-クリーンなエネルギー社会をめざして- (2011)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治、内田健一
  • 総ページ数: 13-23
  • 出版者: シーエムシー出版
• [備考]
  • URL: http://saitoh.imr.tohoku.ac.jp/
• [産業財産権] 熱電変換素子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、2011-114301
  • 出願年月日: 2011-05-23
• [産業財産権] 熱電変換装置 (2011)
  • 発明者名: 桐原明宏, 遠藤浩幸, 眞子隆志, 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、2011-129308
  • 出願年月日: 2011-06-09
• [産業財産権] 磁性体素子用の積層体及びこの積層体を備えた熱電変換素子並びにその製造方法 (2011)
  • 発明者名: 桐原明宏, 石田真彦, 眞子隆志, 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、2011-156618
  • 出願年月日: 2011-07-15
• [産業財産権] 位置検出装置 (2011)
  • 発明者名: 桐原明宏, 石田真彦, 中村泰信, 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、2011-173785
  • 出願年月日: 2011-08-09
• [産業財産権] 位置検出装置 (2011)
  • 発明者名: 桐原明宏, 石田真彦, 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、2011-173916
  • 出願年月日: 2011-08-09