磁化運動および力学運動を用いたスピン流制御の理論

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24740247
• 研究機関: 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
• 研究代表者: 家田 淳一 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 先端基礎研究センター, 研究副主幹 (20463797)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: スピン起電力 / スピン流 / 磁壁 / スピン軌道相互作用 / 垂直磁気異方性 / スピン回転相互作用 / 力学スピン流生成 / ドイツ

研究実績の概要

最終年度は、スピン起電力の出力増大を目的として、対象物質をこれまでの強磁性体からより高速・高エネルギー励起が期待される反強磁性体に拡張する試みに着手した。このために、反強磁性体研究が盛んなドイツマインツ大学と国際共同研究を開始した。また、液体金属からの力学スピン流生成では、発現機構がスピン回転相互作用を通じた流体の形成する渦度の横揺らぎにあることを見出し、現象理解の突破口を開いた。さらに、力学スピン流生成の理論に関する初めての総合報告を発表した。
研究期間全体では、磁壁の運動に伴うスピン起電力に特に注目し応用展開を図った。第一に、スピン起電力の出力安定化に取り組んだ。数値解析により、パーマロイ中の磁壁移動実験で生じるスパイク状電圧ノイズの原因が、磁壁構造変化を伴う非線形ダイナミクスにあることを突き止め、磁気異方性の大きな材料に置換することで10~100倍のスピン起電力が安定生成されることを明らかにした。さらに、ラシュバスピン軌道相互作用による垂直磁気異方性の理論を構築し、外部電界による磁化制御の可能性を指摘した。本成果は、日刊工業新聞、化学工業日報、Phys.org、Materials Today等で報道されるとともに、関連学会・研究会での招待講演を行った。
第二に、ナノ加工を施した磁性細線を用いることで、直流磁場を交流電圧に直接変換する機構を考案した。入力直流磁場の大きさや強磁性細線の形状を変えることで出力電圧の交流特性が制御可能となる。本成果は、American Institute of Physicsの注目論文に選定され、Phys.org、電気新聞、日本経済新聞等で報道された。また、スピン起電力の応用研究として、（株）日立製作所と共同で2件の特許出願を果たし、共に特許登録された。
以上の成果に関連し、平成28年度科学技術分野の文部科学大臣表彰若手科学者賞を受賞した。

研究成果

• [国際共同研究] the University of Mainz(Germany)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: the University of Mainz
• [雑誌論文] Spin Hydrodynamic Generation (2016)
  • 著者名/発表者名: R. Takahashi, M. Matsuo, M. Ono, K. Harii, H. Chudo, S. Okayasu, J. Ieda, S. Takahashi, S. Maekawa, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Nature Physics 巻: 12 ページ: 52-56
  • DOI: 10.1038/NPHYS3526
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Barnett effect in paramagnetic states (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Ono, H. Chudo, K. Harii, S. Okayasu, M. Matsuo, J. Ieda, R. Takahashi, S. Maekawa, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 92 ページ: 174424(1-4)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.92.174424
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Mechanical generation of spin current (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Matsuo, J. Ieda, and S. Maekawa
  • 雑誌名: Frontier in Physics 巻: 3 ページ: 54(1-10)
  • DOI: 10.3389/fphy.2015.00054
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Spin pumping blocked by single-layer graphene (2015)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Haku, Takaharu Tashiro, Hiroyasu Nakayama, Jun’ichi Ieda, Shiro Entani, Seiji Sakai, and Kazuya Ando
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 8 ページ: 073009(1-3)
  • DOI: 10.7567/APEX.8.073009
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Thermal stability of a magnetic domain wall in nanowires (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Fukami, J. Ieda, and H. Ohno
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 91 ページ: 235401(1-7)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.91.235401
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Line splitting by mechanical rotation in nuclear magnetic resonance (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Harii, H. Chudo, M. Ono, M. Matsuo, J. Ieda, S. Okayasu, S. Maekawa, and E. Saitoh
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 51 ページ: 050302(1-3)
  • DOI: 10.7567/JJAP.54.050302
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Interface Magnetic Anisotropy Induced by Rashba Effect (2015)
  • 著者名/発表者名: Jun'ichi Ieda
  • 学会等名: The 29th REIMEI and ERATO-SQR Workshop on Spin Orbit Coupling and Spin Mechanics
  • 発表場所: Mainz, Germany
  • 年月日: 2015-10-23 – 2015-10-24
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Theory of perpendicular magnetic anisotropy induced by Rashba spin-orbit interaction in ferromagnetic ultrathin films (2015)
  • 著者名/発表者名: Jun'ichi Ieda
  • 学会等名: the 22nd International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces
  • 発表場所: Krakow, Poland
  • 年月日: 2015-07-12 – 2015-07-17
  • 国際学会
• [学会発表] Perpendicular magnetic anisotropy induced by Rashba spin-orbit interaction (2015)
  • 著者名/発表者名: Jun'ichi Ieda
  • 学会等名: The 9th of the annual ISSP International workshop/symposium on New Perspectives in Spintronic and Mesoscopic Physics (NPSMP2015)
  • 発表場所: the University of Tokyo (Kashiwa, Tokyo)
  • 年月日: 2015-06-01 – 2015-06-19
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 液体金属流から電気エネルギーを取り出せることを解明 ～電子の自転運動を利用した新しい発電へ～
  • URL: https://www.jaea.go.jp/02/press2015/p15110301/
• [備考] August 2015: Welcoming Japanese Guest Researchers
  • URL: https://www.klaeui-lab.physik.uni-mainz.de/news/
• [備考] 平成28年度科学技術分野の文部科学大臣表彰受賞（２）若手科学者賞
  • URL: http://www.jaea.go.jp/news/newsbox/2016/042501/