スピントロニクスを利用した革新的核磁気共鳴法の開拓

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22K18686
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 吉川 貴史 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (60828846)
• 研究期間 (年度): 2022-06-30 – 2024-03-31
• キーワード: 核スピン / 核スピントロニクス / 核磁気共鳴 / スピン流

研究実績の概要

本研究では、核スピンの持つ高コヒーレンス性に基づく核磁気共鳴（NMR）と高い操作性・汎用性をもつスピントロニクス技術とを融合させた新しい分光学の開拓に取り組む。本研究を通じて、電気的に核スピン励起を変調・検出する新しい科学技術の創出を目指す。
本年度の研究では、大きな核スピン（I = 5/2）を含む55Mn核から構成されたMn金属化合物のマイクロバーを作製し、それに高周波電流を印加し、その電圧応答を測定する実験を軸に研究を進めた。反転対称性が破れた金属の場合、電流印加に伴い非平衡スピン分極が生じ、これが磁化にトルクを与える現象が知られている。ここで入力電流の周波数を55Mn核のNMR周波数帯に合わせると、磁気トルクがNMR周波数で振動し、最終的には核スピンへとその振動トルクが移行されると期待される。このアイデアをもとに、55Mnを含む反転対称性の破れた金属薄膜マイクロバーにNMRを満たす周波数の高周波電流を印加した所、NMR周波数を満たす条件において有意な電気信号が見出された。また、その信号強度は、おおよそ温度の逆数に比例して低温で発達することが確認され、これは核スピン分極率の温度依存性と良く整合している。共同研究を通じて、この信号の起源を説明するモデル構築にも着手し、信号の磁場・温度依存性の再現に成功した。今後は、この現象の逆過程等への展開も期待でき、最終年度に新たな研究指針を生み出すことができたことは意義深いと言える。

研究成果

• [国際共同研究] ヨハネス・グーテンベルク大学マインツ(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: ヨハネス・グーテンベルク大学マインツ
• [雑誌論文] Coexistence of Quantum‐Spin‐Hall and Quantum‐Hall‐Topological‐Insulating States in Graphene/hBN on SrTiO3 Substrate (2024)
  • 著者名/発表者名: Obata Reiji、Kosugi Mioko、Kikkawa Takashi、Kuroyama Kazuyuki、Yokouchi Tomoyuki、Shiomi Yuki、Maruyama Shigeo、Hirakawa Kazuhiko、Saitoh Eiji、Haruyama Junji
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1002/adma.202311339
  • 査読あり
• [雑誌論文] Actuation of microstructures with spin-current volume effect (2024)
  • 著者名/発表者名: Huang Yi-Te、Suzuki Kenta、Arisawa Hiroki、Kikkawa Takashi、Saitoh Eiji、Ono Takahito
  • 雑誌名: Communications Engineering 巻: 3 ページ: 42
  • DOI: 10.1038/s44172-024-00187-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Understanding spin currents from magnon dispersion and polarization: Spin-Seebeck effect and neutron scattering study on Tb3Fe5O12 (2024)
  • 著者名/発表者名: Kawamoto Y.、Kikkawa T.、Kawamata M.、Umemoto Y.、Manning A. G.、Rule K. C.、Ikeuchi K.、Kamazawa K.、Fujita M.、Saitoh E.、Kakurai K.、Nambu Y.
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 124 ページ: 132406
  • DOI: 10.1063/5.0197831
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spin-wave cochlea and nonlocal magnetic resonance in a magnet (2023)
  • 著者名/発表者名: Arisawa Hiroki、Daimon Shunsuke、Oikawa Yasuyuki、Kikkawa Takashi、Saitoh Eiji
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 ページ: 134408
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.107.134408
  • 査読あり
• [雑誌論文] Role of two-dimensional monolayer MoS2 interlayer in the temperature-dependent longitudinal spin Seebeck effect in Pt/YIG bilayer structures (2023)
  • 著者名/発表者名: Park Chanho、Choi Jae Won、Park No-Won、Kim Gil-Sung、Kikkawa Takashi、Saitoh Eiji、Lee Sang-Kwon
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 11 ページ: 11831～11839
  • DOI: 10.1039/D3TA01702H
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Quantum correction to the anomalous Hall effect in PtMnGe thin films (2023)
  • 著者名/発表者名: Meng K. K.、Chen J. K.、Wu Y.、Xu X. G.、Kikkawa T.、Sun L. P.、Hou D. Z.、Li Q.、Zhang N. N.、Fu Z. G.、Zhu T.、Jiang Y.、Saitoh E.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 ページ: 224409
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.107.224409
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Gate-tunable resistance drops related to local superconducting gaps in thin TaS2 layers on SrTiO3 substrates (2023)
  • 著者名/発表者名: Kosugi M.、Obata R.、Suzuki K.、Kuroyama K.、Du S.、Skinner B.、Kikkawa T.、Yokouchi T.、Shiomi Y.、Maruyama S.、Hirakawa K.、Saitoh E.、Haruyama J.
  • 雑誌名: APL Materials 巻: 11 ページ: 081106
  • DOI: 10.1063/5.0147818
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cryogenic spin Peltier effect detected by a RuO2-AlOx on-chip microthermometer (2023)
  • 著者名/発表者名: Kikkawa Takashi、Kiguchi Haruka、Kaverzin Alexey A.、Takahashi Ryo、Saitoh Eiji
  • 雑誌名: Physical Review Applied 巻: 20 ページ: 054006
  • DOI: 10.1103/PhysRevApplied.20.054006
  • 査読あり
• [学会発表] 電子強誘電体における擬スピン・エレクトロニクス (2024)
  • 著者名/発表者名: 吉川貴史
  • 学会等名: エキゾチック磁性を活用したスピントロニクス研究の最前線
  • 招待講演
• [学会発表] 非線形Seebeck効果の理論モデルの構築 (2024)
  • 著者名/発表者名: 平田裕也, 吉川貴史, 齊藤英治
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] マグノン・フォノン・核スピンに基づくスピントロニクスの研究 (2024)
  • 著者名/発表者名: 吉川貴史
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
  • 招待講演
• [学会発表] スピン軌道トルクによる核磁気共鳴の観測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉川貴史, 沼田淳希, 窪田崇秀, 巻内崇彦,関剛斎, 中堂博之, 埋田真樹, 高梨弘毅, 高橋三郎, 齊藤英治
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] 室温における非線形Seebeck効果の観測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 平田裕也, 吉川貴史, 齊藤英治
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] 電子強誘電体における非線形電気輸送 (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉川貴史, 齊藤英治
  • 学会等名: 第33回日本MRS年次大会
  • 招待講演
• [備考] 令和５年度科学技術分野の文部科学大臣表彰 若手科学者賞
  • URL: https://www.mext.go.jp/b_menu/houdou/mext_01224.html
• [備考] 第36回安藤博記念学術奨励賞
  • URL: http://www.ando-lab.or.jp/hyo-syo-.html
• [備考] 第18回日本物理学会若手奨励賞（領域3）
  • URL: https://www.jps.or.jp/activities/awards/jusyosya/wakate2024.php