絶縁体スピントロニクスの構築と体系化

2014 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

研究実績の概要

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。
まず、磁気転移点が室温付近にある単結晶物質を用いて、常磁性状態におけるスピンポンピングを初めて観測することに成功した。常磁性体においては長距離磁気秩序が存在しないにも関わらず、非常に強力なスピン流信号が得られた。従来、強磁性体のみを対象としていたスピンポンピングという概念を、今後は常磁性体にも拡張する必要性を示した画期的な成果である。
トポロジカル絶縁体はバルク部分が絶縁体でありながら、表面ではDiracフェルミ粒子の存在により導電性を示す稀有な物質である。これまで、この性質を正しく反映した材料系においてスピン流-電流変換現象を観測した例はなかった。今回我々は初めてトポロジカル絶縁体の表面状態を反映したスピン流-電流変換現象を観測した。観測された効率はまだ小さいものの、原理的には、トポロジカル絶縁体特有の極めて高いスピン流-電流変換効率が今後得られるものと期待される。
これまでスピンゼーベック効果の研究においては、重畳する異常ネルンスト効果の寄与を含めたまま議論がなされていた。今回我々は試料の磁性層を面内と面直に磁化させた場合の縦型熱起電力を比較することで、これら2つの効果を分離することに成功した。その結果、これまで観測されていた磁性絶縁体と白金の二層膜における熱起電力は、そのほとんどがスピンゼーベック効果によるもので、ネルンスト効果の寄与は無視できる程度であることが示された。逆にこの結果から、白金の代わりに磁性金属を用いることで、積極的に異常ネルンスト効果を重畳させたハイブリッド熱電変換が極めて高い変換効率を示すことを発見した。
これらの結果を複数の論文にまとめ、Physical Review Letters誌(2編)等に掲載された。

現在までの達成度 (段落)

26年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

26年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Generation of spin currents by surface plasmon resonance (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Uchida, H. Adachi, D. Kikuchi, S. Ito, Z. Qiu, S. Maekawa, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Nature communications 巻: 6 ページ: 5910
  • DOI: 10.1038/ncomms6910
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Spin Hall magnetoresistance at high temperatures (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Uchida, Z. Qiu, T. Kikkawa, R. Iguchi, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 106 ページ: 052405
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4907546
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Sign of inverse spin Hall voltages generated by ferromagnetic resonance and temperature gradients in yttrium iron garnet platinum bilayers (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Schreier, G. E. W. Bauer, V. Vasyuchka, J. Flipse, K. Uchida, J. Lotze, V. Lauer, A. Chumak, A. Serga, S. Daimon, T. Kikkawa, E. Saitoh, B. J. van Wees, B. Hillebrands, R. Gross, S. T. B. Goennenwein
  • 雑誌名: Journal of Physics D: Applied Physics 巻: 48 ページ: 025001
  • DOI: 10.1088/0022-3727/48/2/025001
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Enhancement of spin-Seebeck effect by inserting ultra-thin Fe70Cu30 interlayer (2015)
  • 著者名/発表者名: D. Kikuchi, M. Ishida, K. Uchida, Z. Qiu, T. Murakami, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 106 ページ: 082401_1-3
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4913531
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Spectral shape deformation in inverse spin Hall voltage in Y3Fe5O12 Pt bilayers at high microwave power levels (2015)
  • 著者名/発表者名: J. Lustikova, Y. Shiomi, S.M. Haidar, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 117 ページ: 073901_1-6
  • DOI: 10.1063/1.4908211
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Generation of spin currents in the skyrmion phase of a helimagnetic insulator Cu2OSeO3 (2015)
  • 著者名/発表者名: D. Hirobe, Y. Shiomi, Y. Shimada, J. Ohe, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 117 ページ: 053904_1-6
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4907040
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Observation of Barnett field in solids by nuclear magnetic resonance (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Chudo, M. Ono, K. Harii, M. Matsuo, J. Ieda, R. Haruki, S. Okayasu, S. Maekawa, H. Yasuoka,
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 7 ページ: 063004_1-5
  • DOI: 10.7567/APEX.7.063004
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Enhanced DC Spin Pumping into a Fluctuating Ferromagnet near Tc (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Ohnuma, H. Adachi, E. Saitoh, and S. Maekawa
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 89 ページ: 174417_1-10
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.89.174417
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Current-induced spin polarization on metal surfaces probed by spin-polarized positron beam (2014)
  • 著者名/発表者名: H. J. Zhang, S. Yamamoto, Y. Fukaya, S. Maekawa, H. Li, A. Kawasuso, T. Seki, E. Saitoh and K. Takanashi
  • 雑誌名: Scientific reports 巻: 4 ページ: 4844_1-5
  • DOI: 10.1038/srep04844
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Interface-dependent magnetotransport properties for thin Pt films on ferrimagnetic Y3Fe5O12 (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Shiomi, T. Ohtani , S. Iguchi , T. Sasaki, Z. Qiu, H. Nakayama, K. Uchida, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 104 ページ: 242406_1-3
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4883898
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electric control of the spin Hall effect by intervalley transitions (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Okamoto, H. Kurebayashi, T. Trypiniotis, I. Farrer, D. A. Ritchie, E. Saitoh, J. Sinova, J. Masek, T. Jungwirth, and C. H. W. Barnes
  • 雑誌名: Nature materials 巻: 13 ページ: 932-937
  • DOI: 10.1038/nmat4059
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Anomalous Nernst effect of Fe3O4 single crystal (2014)
  • 著者名/発表者名: R. Ramos, M.H. Aguirre, A. Anad´on, J. Blasco, I. Lucas, K. Uchida, P.A. Algarabel, L. Morell´on, E. Saitoh, and M.R. Ibarra
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 90 ページ: 054422_1-4
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.90.054422
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Longitudinal spin Seebeck effect: from fundamentals to applications (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Uchida, M. Ishida, T. Kikkawa, A. Kirihara, T. Murakami, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Journal of physics: condensed matter 巻: 26 ページ: 343202
  • DOI: 10.1088/0953-8984/26/34/343202
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Pure detection of the acoustic spin pumping in Pt/YIG/PZT structures (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Uchida, Z. Qiu, T. Kikkawa, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Solid State Communications 巻: 198 ページ: 26-29
  • DOI: 10.1016/j.ssc.2013.10.012
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Quantitative Temperature Dependence of Longitudinal Spin Seebeck Effect in High Temperature Regions (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Uchida, T. Kikkawa, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Physical Review X 巻: 4 ページ: 041023
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevX.4.041023
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Spin current generation from sputtered Y3Fe5O12 films (2014)
  • 著者名/発表者名: J. Lustikova, Y. Shiomi, Z. Qiu, T. Kikkawa, R. Iguchi, K. Uchida, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 111 ページ: 153902_1-6
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4898161
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Spin-Electricity Conversion Induced by Spin Injection into Topological Insulators (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Shiomi, K. Nomura, Y. Kajiwara, K. Eto , M. Novak, K. Segawa , Y. Ando, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 113 ページ: 196601_1-4
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.196601
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Paramagnetic spin pumping (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Shiomi, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 113 ページ: 266602_1-5
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.196601
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] スピンゼーベック効果による発電 (2015)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 金属錯体の固体物性最前線：金属錯体と固体物性物理と生物物性の連携新領域を目指して
  • 発表場所: 仙台
  • 年月日: 2015-02-22
  • 招待講演
• [学会発表] From spin pumping to spin Seebeck effect (2014)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 2014 Workshop on Innovative Nanoscale Devices and Systems
  • 発表場所: Kona, Hawaii
  • 年月日: 2014-12-05
  • 招待講演
• [学会発表] Various spin current exchange phenomena (2014)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Magnetism and Magnetic Materials Conference 2014
  • 発表場所: Honolulu, Hawaii
  • 年月日: 2014-11-05
  • 招待講演
• [学会発表] From spin pumping to spin Seebeck effect (2014)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Chicago-AIMR workshop
  • 発表場所: Sendai
  • 年月日: 2014-09-19
  • 招待講演
• [学会発表] Spin current generation from heat and mechanical motion (2014)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 第38回 日本磁気学会学術講演会
  • 発表場所: 横浜
  • 年月日: 2014-09-05
  • 招待講演
• [学会発表] Spin current physics and materials (2014)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: JSPS Symposium on Nanoscale Physics of Quantum Materials
  • 発表場所: Leeds, UK
  • 年月日: 2014-08-12
  • 招待講演
• [学会発表] Spin current physics and materials (2014)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 6th IEEE International Nanoelectronics Conference
  • 発表場所: Sapporo
  • 年月日: 2014-07-28
  • 招待講演
• [学会発表] Various phenomena related to spin Seebeck effect (2014)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: SpincaloritronicsVI
  • 発表場所: Irsee, Germany
  • 年月日: 2014-07-15
  • 招待講演
• [学会発表] From spin pumping to spin Seebeck effect (2014)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 10th AIMS conference on dynamical systems, differential equations and applications
  • 発表場所: Madrid, Spain
  • 年月日: 2014-07-11
  • 招待講演
• [学会発表] Spin and magnetism (tutorial) (2014)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: Spin mechanics Ⅱ
  • 発表場所: Sendai
  • 年月日: 2014-06-21
  • 招待講演
• [学会発表] Spin current physics and application (2014)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: International Conference on Modern Materials and Technologies (CIMTEC) 2014
  • 発表場所: Montecatini Terme, Itaｌｙ
  • 年月日: 2014-06-12
  • 招待講演
• [学会発表] Spin current physics and material science (2014)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 2014 E-MRS Spring Meeting
  • 発表場所: Lille, France
  • 年月日: 2014-05-27
  • 招待講演
• [学会発表] 電子の自転を利用した新しいエネルギー変換 (2014)
  • 著者名/発表者名: 齊藤英治
  • 学会等名: 読売テクノフォーラム
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2014-05-10
  • 招待講演
• [備考] 齊藤研究室
  • URL: http://saitoh.imr.tohoku.ac.jp/