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2015 年度 実施状況報告書

磁性分子マシンに向けたスピンによる動力の生成と制御に関する理論的研究

研究課題

研究課題/領域番号 25390055
研究機関静岡大学

研究代表者

古門 聡士  静岡大学, 工学部, 准教授 (50377719)

研究分担者 角田 匡清  東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80250702)
研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2017-03-31
キーワードスピン緩和 / スピン-原子振動相互作用 / スピン軌道相互作用 / 異方性磁気抵抗効果 / 摂動理論
研究実績の概要

本研究は励起スピンの緩和に関する理論的研究である.ここでの緩和はスピン-原子振動相互作用によって生じるとする.この相互作用ではスピン軌道(SO)相互作用を持つ3d軌道が重要な役割を果す.前年度はSO相互作用と結晶場を考慮に入れた3d軌道を解析的に求め,その3d軌道の磁化方向依存性を調べた.今年度は,前年度に開発した理論を用いて実材料のFe4Nの「1.3d軌道の磁化方向依存性」と「2.異方性磁気抵抗(AMR)比の温度依存性」を調べた.詳細は以下の通りである.
1.結晶場エネルギー,交換分裂エネルギー,SO相互作用から成る3d電子のハミルトニアンに摂動理論を適用することで波動関数を求めた.Fermi準位近傍の波動関数は,支配的成分のダウンスピン状態とわずかに混ざったアップスピン状態(混成軌道)からなり,その混成軌道の確率振幅はcos2φまたはsin2φを含むことを示した.ただし,φは磁化(xy面内)とx軸の間の相対角である.
2.3d軌道のφ依存性を調べるための代表的な現象はAMR効果である.その効果の効率“AMR比”はAMR(φ)=[(φでの抵抗率)-(φ=π/2での抵抗率)]/(φ=π/2での抵抗率)として定義される.このAMR(φ)はC0+C2cos2φ+C4cos4φ(ただしC0=C2-C4)として表され,昨年,係数C2, C4の一般式を解析的に求めた.今年度はこの一般式と1の3d軌道をもとに,Fe4Nの係数C2, C4を求めた.その結果,C2はdε軌道とdγ軌道の部分状態密度の差に比例し,C4はdε軌道内の部分状態密度の差に比例することがわかった.さらに,これらの係数を用いて,Fe4NのC2とC4の温度依存性の実験結果(温度低下とともに|C2|とC4が増大)を解析した.その結果,温度低下とともに正方歪みが増大するとき実験結果を再現できることがわかった.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

(2)おおむね順調に進展している.
1.スピン緩和に重要な働きをする“スピン軌道相互作用と結晶場エネルギーを持つ3d軌道”を解析的に求め,その磁化方向依存性について詳しく調べた.
2.3d軌道におけるスピン軌道相互作用の影響を調べるため,異方性磁気抵抗(AMR)効果に注目し,AMR効果の一般理論を構築した.
3.2の理論を用いて,Fe4NのAMR効果の実験結果(AMR比が低温で増大)を解析した.その結果,温度低下とともに正方歪みが増大するとき実験結果を再現できることが確認された.

今後の研究の推進方策

1.スピン軌道相互作用と結晶場を考慮に入れた模型を用いてスピン-原子振動相互作用を求める.
2.我々が開発した異方性磁気抵抗効果の理論を用いて,ハーフメタリック強磁性体で観測されたAMR比とCPP-GMR比の間の正の相関を解析する.

次年度使用額が生じた理由

昨年度インドでの磁性材料の国際会議で招待講演を行う予定だったが、現地空港が洪水で飛行機が着陸できず講演をキャンセルすることになった。この講演では私が開発した異方性磁気抵抗(AMR)効果の理論について発表する予定だった。特に磁性材料分野では最近AMR測定が盛んに行われており、本講演は大変有意義な機会と考えられた。今年度は中国で同種会議が開かれることから、本会議でAMR理論と最新の計算結果について発表したいと考えている。

次年度使用額の使用計画

昨年度キャンセルとなった異方性磁気抵抗(AMR)効果の発表を2017年1月の国際会議(中国桂林市)の招待講演で行う予定である。本会議でAMR理論と最新の計算結果について報告したいと考えている。

  • 研究成果

    (17件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 3件、 謝辞記載あり 3件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 6件、 招待講演 2件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] Anomalous Hall effects in pseudo-single-crystal gamma'-Fe4N thin films2016

    • 著者名/発表者名
      Kazuki Kabara, Masakiyo Tsunoda, and Satoshi Kokado
    • 雑誌名

      AIP Advances

      巻: 6 ページ: 055801-1 - 5

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1063/1.4942550

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Transverse anisotropic magnetoresistance effects in pseudo-single-crystal gamma'-Fe4N thin films2016

    • 著者名/発表者名
      Kazuki Kabara, Masakiyo Tsunoda, and Satoshi Kokado
    • 雑誌名

      AIP Advances

      巻: 6 ページ: 055818-1 - 5

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1063/1.4943923

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Twofold and Fourfold Symmetric Anisotropic Magnetoresistance Effect in A Model with Crystal Field2015

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Kokado and Masakiyo Tsunoda
    • 雑誌名

      J. Phys. Soc. Jpn.

      巻: 84 ページ: 094710-1 - 18

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.7566/JPSJ.84.094710

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Anisotropic Magnetoresistance Effects in Fe, Co, Ni, Fe4N, and Half-Metallic Ferromagnet: Systematic Analysis and Intuitive Explanation2016

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Kokado, Masakiyo Tsunoda
    • 学会等名
      2016 Materials Research Society Spring Meeting & Exhibit
    • 発表場所
      Phoenix, Arizona, USA
    • 年月日
      2016-03-29 – 2016-03-29
    • 国際学会
  • [学会発表] Theoretical Study on Twofold and Fourfold Symmetric Anisotropic Magnetoresistance Effect2016

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Kokado, Masakiyo Tsunoda
    • 学会等名
      American Physical Society March Meeting 2016
    • 発表場所
      Baltimore Convention Center, Baltimore, Maryland, USA
    • 年月日
      2016-03-17 – 2016-03-17
    • 国際学会
  • [学会発表] Twofold and Fourfold Symmetric Anisotropic Magnetoresistance Effect in a Model with Crystal Field2016

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Kokado, Masakiyo Tsunoda
    • 学会等名
      DPG Spring Meeting 2016
    • 発表場所
      University of Regensburg, Regensburg, Germany
    • 年月日
      2016-03-10 – 2016-03-10
    • 国際学会
  • [学会発表] Anomalous Hall effect in pseudo-single-crystal gamma'-Fe4N thin films2016

    • 著者名/発表者名
      Kazuki Kabara, Masakiyo Tsunoda, Satoshi Kokado
    • 学会等名
      13th Joint MMM-Intermag Conference
    • 発表場所
      San Diego, USA
    • 年月日
      2016-01-15 – 2016-01-15
    • 国際学会
  • [学会発表] Transverse anisotropic magnetoresistance effects in pseudo-single-crystal gamma'-Fe4N thin films2016

    • 著者名/発表者名
      Kazuki Kabara, Masakiyo Tsunoda, Satoshi Kokado
    • 学会等名
      13th Joint MMM-Intermag Conference
    • 発表場所
      San Diego, USA
    • 年月日
      2016-01-14 – 2016-01-14
    • 国際学会
  • [学会発表] 強磁性体の異方性磁気抵抗効果:波動関数を用いた直感的説明2016

    • 著者名/発表者名
      古門聡士, 角田匡清
    • 学会等名
      応用物理学会新領域研究「強的秩序とその操作に関わる研究グループ第1回研究会」
    • 発表場所
      東京工業大学キャンパス・イノベーションセンター、東京都港区芝浦3-3-6
    • 年月日
      2016-01-04 – 2016-01-04
  • [学会発表] Anisotropic Magnetoresistance Effects in Fe, Co, Ni, Fe4N, and Half-Metallic Ferromagnet: Systematic Analysis and Intuitive Explanation2015

    • 著者名/発表者名
      古門 聡士, 伊東卓哉, 和田竜太朗, 角田匡清
    • 学会等名
      13th RIEC International Workshop on Spintronics
    • 発表場所
      東北大学電気通信研究所、 宮城県仙台市 青葉区片平2丁目1-1
    • 年月日
      2015-11-19 – 2015-11-19
    • 国際学会
  • [学会発表] Fe4N擬単結晶薄膜の異方性磁気抵抗効果と異常ホール効果2015

    • 著者名/発表者名
      角田匡清, 鹿原和樹, 古門聡士
    • 学会等名
      電子情報通信学会磁気記録・情報ストレージ研究会
    • 発表場所
      大阪大学大学院工学研究科、大阪府吹田市山田丘2-1
    • 年月日
      2015-10-22 – 2015-10-22
    • 招待講演
  • [学会発表] 擬単結晶γ’-Fe4N薄膜の異常ホール効果2015

    • 著者名/発表者名
      鹿原和樹, 角田匡清, 古門聡士
    • 学会等名
      日本磁気学会
    • 発表場所
      名古屋大学、愛知県名古屋市千種区不老町
    • 年月日
      2015-09-09 – 2015-09-09
  • [学会発表] Mn4N薄膜の異方性磁気抵抗効果と異常ホール効果2015

    • 著者名/発表者名
      鹿原和樹, 角田匡清, 古門聡士
    • 学会等名
      日本磁気学会
    • 発表場所
      名古屋大学、愛知県名古屋市千種区不老町
    • 年月日
      2015-09-09 – 2015-09-09
  • [学会発表] Fe4N薄膜の異方性磁気抵抗効果:理論的研究2015

    • 著者名/発表者名
      古門聡士、角田匡清
    • 学会等名
      みちのく磁性談話会
    • 発表場所
      宮城蔵王ロイヤルホテル、 宮城県刈田郡 蔵王町遠刈田温泉字鬼石原1-1
    • 年月日
      2015-06-06 – 2015-06-06
    • 招待講演
  • [備考] 古門研究室のホームページ

    • URL

      http://www.ipc.shizuoka.ac.jp/~tskokad/

  • [備考] 静岡大学教員データベース

    • URL

      https://tdb.shizuoka.ac.jp/RDB/public/Default2.aspx?id=10335&l=0

  • [備考] 東北大学研究者紹介

    • URL

      http://db.tohoku.ac.jp/whois/detail/2d38facafb7796ce6bea4ad4ec927cdd.html

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公開日: 2017-01-06  

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