絶縁体スピントロニクスの構築と体系化

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24244051
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 齊藤 英治 東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 教授 (80338251)
• 研究分担者: 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)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: スピントロニクス

研究概要

絶縁体スピントロニクスの物理の基礎を形成し、環境負荷の小さな新しいスピン利用技術の基盤を築くことを目指した研究を行った。
強磁性絶縁体/金属構造で生じる熱流-スピン流生成現象であるスピンゼーベック効果は、界面でのスピン交換が重要な役割を果たしている。しかしながら、強磁性絶縁体/金属界面の構造評価とスピン特性評価は連携して行われてこなかった。我々は、スピンゼーベック効果の効率改善を目的として、界面が原子レベルで制御された強磁性絶縁体/金属構造を作製し、界面でのスピン伝導度を高めることに成功した。
これまで、界面でのスピン物性の評価は、マイクロ波や熱を用いた手法しか存在しなかった。これらの評価手法では、煩雑な上に不確定なパラメータも存在し、異なる構造の評価において問題が生じることがあった。齊藤グループは、強磁性絶縁体/金属界面を有する構造におけるスピン輸送現象の物理を精査することで、界面でのスピン交換に基づく新奇磁気抵抗効果を発見するに至り、界面スピン特性の簡素な評価手法の確立に成功した。
我々は、前年度までに強磁性絶縁層を塗布工程によって形成することで、大面積化が可能となるスピンゼーベック素子を実現した。一方で、スピン流を媒介とした発電で不可欠なスピン流-電流変換を担う層は、塗布工程によっては作製が実現されていなかった。今年度は、塗布工程によって形成可能で、かつスピン流-電流変換現象を示す有機物の探索にも成功し、スピンゼーベック素子の全層を真空不要の低コストプロセスによって形成可能にした。これは、スピン熱電素子の応用へと向けた大きな一歩である。
また、同時期に特定の有機物が電流を通さず、スピン流のみを通すことを明らかにした。
これらの結果を複数の論文にまとめ、Nature Materials、Nature Physics、Physical Review Letters誌等に掲載された。

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

初期の目標は十分に達成されたのみならず、次年度予定していた交流音響スピンポンプの測定も開始することができ、研究をやや前倒しで行っている状況である。
また、塗布工程によって形成可能で、かつスピン流-電流変換現象を示す有機物の発見（Nature Materials誌に論文掲載）や、電流を通さずスピン流のみを通す有機物の発見（Nature Physics誌に論文掲載）、界面でのスピン交換に基づく新奇磁気抵抗効果の発見（Physical Review Letters誌に論文掲載）など、想定していなかった新しい発見も相次いだ。

今後の研究の推進方策

絶縁体中のスピン流と素励起相互作用の基礎学理が構築されることは、多様で制御性の高い絶縁体中の素励起に基づく新しいスピントロニクス技術群を作れることを意味する。本研究の仕上げとして、この未知のデバイス概念のプロトタイプ作成を行う。
表面プラズモンによるスピン流光生成、交流音響スピンポンプ、音波によるスピン流変調素子を試作する。前年までの研究により評価されたパラメータにより、適した物質、形状が特定されるため、このデータを用いて電子線リソグラフィー法により音響トランスデューサー、プラズモングレーティングカプラーを作製し、応募者らが得意とするスピンホール効果を用いてスピン波スピン流を生成・検出することで、デバイス動作を検証・探求する。特に注意を払う点はスピン流路の形状とスピン波モードの設計であり、音波とグレーティングカプラーと強い結合が得られるようにする。これにより、絶縁体スピントロニクスを応用へと繋げる土台が確立されたことになる。
なお、フォノンについてはプリズムとコム型トランスデューサー、プラズモンについては微粒子とグレーティングといった複数の構造を作りこむ手法を併用し、リスクを分散させる。

研究成果

• [雑誌論文] Effect of spin Hall magnetoresistance on spin pumping measurements in insulating magnet/metal systems (2014)
  • 著者名/発表者名: R. Iguchi, K. Sato, D. Hirobe, S. Daimon, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 7 ページ: 013003_1-3
  • DOI: 10.7567/APEX.7.013003
  • 査読あり
• [雑誌論文] Polaron spin current transport in organic semiconductors (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Watanabe, K. Ando, K. Kang, S. Mooser, Y. Vaynzof, H. Kurebayashi, M. Heeney, E. Saitoh, and H. Sirringhaus
  • 雑誌名: Nature physics 巻: 10 ページ: 308–313
  • DOI: 10.1038/nphys2901
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin-pump-induced spin transport in p-type Si at room temperature (2013)
  • 著者名/発表者名: E. Shikoh, K. Ando, K. Kubo, E. Saitoh, T. Shinjo, and M. Shiraishi
  • 雑誌名: Physical Review Leetters 巻: 110 ページ: 127201_1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.127201
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theory of spin Hall magnetoresistance (2013)
  • 著者名/発表者名: Y.-T. Chen, S. Takahashi, H. Nakayama, M. Althammer, S.B.T. Goennenwein, E. Saitoh, and G. E. W. Bauer
  • 雑誌名: Physics Review B 巻: 87 ページ: 144411_1-9
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.87.144411
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin Hall Magnetoresistance Induced by a Non-Equilibrium Proximity Effect (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Nakayama, M. Althammer, Y.-T. Chen, K. Uchida, Y. Kajiwara, D. Kikuchi, T. Ohtani, S. Geprägs, M. Opel, S. Takahashi, R. Gross, G. E. W. Bauer, S. T. B. Goennenwein, E. Saitoh
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 110 ページ: 206601_1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.206601
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chiral spin-wave edge modes in dipolar ferromagnetic thin films (2013)
  • 著者名/発表者名: R. Shindou, J. Ohe, R. Matsumoto, S. Murakami, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 87 ページ: 174402_1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.87.174402
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanical generation of spin current by spin-rotation coupling (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Matsuo, J. Ieda, K. Harii, E. Saitoh, S. Maekawa
  • 雑誌名: Physical Review B Rapid 巻: 87 ページ: 180402_1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.87.180402
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unidirectional spin-wave heat conveyer (2013)
  • 著者名/発表者名: T. An, V. I. Vasyuchka, K. Uchida, A. V. Chumak, K. Yamaguchi, K. Harii, J. Ohe, M.B. Jungfleisch, Y. Kajiwara, H. Adachi, B. Hillebrands, S. Maekawa, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Nature materials 巻: 12 ページ: 549-553
  • DOI: 10.1038/NMAT3628
  • 査読あり
• [雑誌論文] Current-induced spin polarization on a Pt surface (2013)
  • 著者名/発表者名: A. Kawasuso, Y. Fukaya, M. Maekawa, H. Zhang I. T. Seki, T. Yoshino, E. Saitoh, and K. Takanashi
  • 雑誌名: Journal of magnetism and magnetic materials 巻: 342 ページ: 139-143
  • DOI: 10.1016/j.jmmm.2013.04.006
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantitative study of the spin Hall magnetoresistance in ferromagnetic insulator/normal metal hybrids (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Althammer, S. Meyer, H. Nakayama, M. Schreier, S. Altmannshofer, M. Weiler, H. Huebl, S. Gepraegs, M. Opel, R. Gross, D. Meier, C. Klewe, T. Kuschel, J.-M. Schmalhorst, G. Reiss, L. Shen, A. Gupta, Y.-T. Chen, G.E.W. Bauer, E. Saitoh, S.T.B. Goennenwein
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 87 ページ: 224401_1-1
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.87.224401
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of mechanical rotation and vibration on spin currents (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Matsuo, J. Ieda, E. Saitoh, and S. Maekawa
  • 雑誌名: Journal of Korean Physical Society 巻: 62 ページ: 1404-1409
  • DOI: 10.3938/jkps.62.1404
  • 査読あり
• [雑誌論文] Solution-processed organic spin-charge converter: inverse spin Hall effect in conducting polymer disclosed by dynamical spin injection (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Ando, S. Watanabe, S. Mooser, E. Saitoh, H. Sirringhaus
  • 雑誌名: Nature materials 巻: 12 ページ: 622-627
  • DOI: 10.1038/NMAT3634
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermal imaging of standing spin waves (2013)
  • 著者名/発表者名: T. An, K. Yamaguchi, K. Uchida, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Applies Physics Letters 巻: 103 ページ: 052410_1-3
  • DOI: 10.1063/1.4816737
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin-relaxation modulation and spin pumping control by transverse spin wave spin current in Y2Fe5O12 (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Kajiwara, K. Uchida, T. An, Y. Fujikawa, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Applies Physics Letters 巻: 103 ページ: 052404_1-4
  • DOI: 10.1063/1.4817076
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin Current: Experimental and Theoretical Aspects (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Maekawa, H. Adachi, K. Uchida, J. Ieda, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Journal of Physical Society of Japan 巻: 82 ページ: 102002_1-4
  • DOI: 10.7566/JPSJ.82.102002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin mixing conductance at a well-controlled platinum/yttrium iron garnet interface (2013)
  • 著者名/発表者名: Z. Qiu, K. Ando, K. Uchida, Y. Kajiwara, R. Takahashi, H. Nakayama, T. An, Y. Fujikawa, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Applies Physics Letters 巻: 103 ページ: 092404_1-3
  • DOI: 10.1063/1.4819460
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental investigation of spin Hall effect in indium tin oxide thin film (2013)
  • 著者名/発表者名: Z. Qiu, T. An, K. Uchida, D. Hou, Y. Fujikawa, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 103 ページ: 182404_1-3
  • DOI: 10.1063/1.4827808
  • 査読あり
• [雑誌論文] Separation of longitudinal spin Seebeck effect from anomalous Nernst effect: Determination of the origin of transverse thermoelectric voltage in metal/insulator junctions (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Kikkawa, K. Uchida, S. Daimon, Y. Shiomi, Z. Qiu, D. Hou, H. Adachi, S. Maekawa, X.-F. Jin, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 88 ページ: 214403_1-11
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.88.214403
  • 査読あり
• [学会発表] スピンゼーベック効果 (2014)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: エネルギー・資源技術部会 エネルギー分科会
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 20140326-20140326
  • 招待講演
• [学会発表] スピンゼーベック効果 (2014)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 平成25年度第2回九州工業大学テニュアトラックシンポジウム
  • 発表場所: 北九州市
  • 年月日: 20140312-20140312
  • 招待講演
• [学会発表] Physics and application of spin currents (2014)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: MANA Symposium 2014
  • 発表場所: つくば
  • 年月日: 20140307-20140307
  • 招待講演
• [学会発表] Spin current phenomena in films (2014)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 14th REIMEI Workshop on Spin Currents and Related Phenomena
  • 発表場所: Grenoble（フランス）
  • 年月日: 20140211-20140211
  • 招待講演
• [学会発表] Spin current phenomena in films (2014)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: FIRST International Symposium
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 20140129-20140129
  • 招待講演
• [学会発表] スピン流ナノインテグレーションシステム (2014)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: CREST「プロセスインテグレーションによる機能発現ナノシステムの創製」領域第3回公開シンポジウム
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 20140129-20140129
  • 招待講演
• [学会発表] Field dependence of spin Seebeck effects (2013)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Spintronics: Progress in Theory, Materials, and Devices
  • 発表場所: Santa Barbara（アメリカ）
  • 年月日: 20131113-20131113
  • 招待講演
• [学会発表] From spin pumping to spin Seebeck effect (2013)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: SpinCat workshop 2013
  • 発表場所: Mainz（ドイツ）
  • 年月日: 20131009-20131009
  • 招待講演
• [学会発表] Dynamical generation of spin current (2013)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Donostia International Conference on Nanoscaled Magnetism and Applications (DICNMA 2013)
  • 発表場所: San Sebastian（スペイン）
  • 年月日: 20130912-20130912
  • 招待講演
• [学会発表] Dynamical generation of spin currents (2013)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Gordon Research Conference - spin dynamics in nanostructures
  • 発表場所: Hong Kong（中国）
  • 年月日: 20130818-20130818
  • 招待講演
• [学会発表] Dynamical generation of spin current (2013)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Magnonics 2013
  • 発表場所: Varberg（スウェーデン）
  • 年月日: 20130806-20130806
  • 招待講演
• [学会発表] Spin pumping and spin Seebeck effect (2013)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Spintech VII
  • 発表場所: Chicago（アメリカ）
  • 年月日: 20130731-20130731
  • 招待講演
• [学会発表] Longitudinal Spin Seebeck effect (2013)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 6th International Workshop on Spin Current
  • 発表場所: Ohio（アメリカ）
  • 年月日: 20130513-20130513
  • 招待講演
• [学会発表] Insulator spintronics (2013)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: The 11th International Conference on Ferrites
  • 発表場所: 沖縄
  • 年月日: 20130415-20130415
  • 招待講演
• [学会発表] Dynamical generation of spin current (2013)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: New Spin 3
  • 発表場所: Mainz（ドイツ）
  • 年月日: 20130403-20130403
  • 招待講演
• [図書] スピン流の物理とトポロジカル絶縁体 (2014)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治、村上修一
  • 総ページ数: 160
  • 出版者: 共立出版
• [備考] 齊藤研究室
  • URL: http://saitoh.imr.tohoku.ac.jp/