磁性絶縁体/金属ナノ構造におけるスピンホール磁気抵抗効果の理論的研究

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25400337
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 高橋 三郎 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (60171485)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: スピンホール磁気抵抗効果 / スピン流 / スピンホール効果 / スピン依存ホール効果 / 強磁性絶縁体 / 強磁性金属 / ナノ構造２層膜

研究実績の概要

本研究は、強磁性絶縁体を用いたナノ構造複合膜において、非平衡スピン流とスピンホール効果に起因した新規な磁気抵抗効果を提案し、そのスピン伝導理論を構築した。この磁気抵抗効果は国内外で実験的に検証され、「スピンホール磁気抵抗効果」と呼ばれている。最終年度は、強磁性金属を用いたナノ構造複合膜への拡張を行った。
強磁性金属とスピン軌道相互作用の強い金属からなるナノ構造２層膜において、大きなスピンホール磁気抵抗効果が起こることを理論的に明らかにした。電気を通す強磁性金属を用いると、スピンホール効果によって非磁性金属層に生じたスピン流は、強磁性金属の磁化の向きに依存して、横偏極成分のみならず縦偏極成分のスピン流が強磁性金属に吸収される。また、強磁性金属層に電流が流れることにより、強磁性金属にスピン依存ホール効果が生じて磁化の向きに依存した縦偏極成分のスピン流が生成され、強磁性金属層にもスピンホール磁気抵抗効果が生じる。このため、強磁性金属を用いた金属系２層膜のスピンホール磁気抵抗効果は、強磁性絶縁体を用いた絶縁体系２層膜と比べて異なった振舞いを示す。最終年度では、強磁性金属層のスピン依存ホール効果及び縦の界面スピン流の影響を解明し、金属系の２層膜で発現するスピンホール磁気抵抗の磁化の角度依存性や膜厚依存性を解析する理論を構築した。これにより、非磁性金属層のスピンホール角、強磁性金属層のスピン依存ホール角、スピン分極率を見積もることが可能になった。実験グループとの共同研究により、コバルト鉄ボロン（CoFeB）強磁性金属とタングステン（W）金属を用いた２層膜において、絶縁体系２層膜に比べて１０倍ほど大きなスピンホール磁気抵抗効果が発現することを実験的に観測することに成功した。

研究成果

• [国際共同研究] Walther-Meisner-Institut/Technische Universitat Munchen(Germany)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Walther-Meisner-Institut/Technische Universitat Munchen
• [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
• [雑誌論文] Spin Hall magnetoresistance in metallic bilayers (2016)
  • 著者名/発表者名: J. Kim, P. Sheng, S. Takahashi, S. Mitani, and M. Hayashi
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 116 ページ: 097201(1-5)
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.097201
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effective exchange fields in spin-torque resonance of magnetic insulators (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Chiba, G. E. W. Bauer, and S. Takahashi
  • 雑誌名: J. Magn. Magn. Mater. 巻: 400 ページ: 163-167
  • DOI: 10.1016/j.jmmm.2015.07.058
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Theory of spin Hall magnetoresistance (SMR) and related phenomena (2016)
  • 著者名/発表者名: Y.-T. Chen, S. Takahashi, H. Nakayama, M. Althammer, S. T. B. Goennenwein, E. Saitoh, and G. E. W. Bauer
  • 雑誌名: J. Phys.: Condens. Matter 巻: 28 ページ: 103004(1-15)
  • DOI: 10.1088/0953-8984/28/10/103004
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Temperature dependence of enhanced spin relaxation time in metallic nanoparticles: Experiment and theory (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Koda, S. Mitani, S. Takahashi, M. Mizuguchi, K. Sato, T. J. Konno, S. Maekawa, and K. Takanashi
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 93 ページ: 085402(1-7)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.93.085402
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Modelling of the Peltier effect in magnetic multilayers (2016)
  • 著者名/発表者名: I. Juarez-Acosta, M. A. Olivares-Robles, S. Bosu, Y. Sakuraba, T. Kubota, S. Takahashi, K. Takanashi, and G. E. W. Bauer
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. 巻: 119 ページ: 073906(1-11)
  • DOI: 10.1063/1.4942163
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Quasiparticle-mediated spin Hall effect in a superconductor (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Wakamura, H. Akaike, Y. Omori, Y. Niimi, S. Takahashi, A. Fujimaki, S. Maekawa, and Y. Otani
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: 14 ページ: 675－679
  • DOI: 10.1038/NMAT4276
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Magnetization damping in antiferromagnetically coupled spin valves via dynamical spin transfer toque (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Chiba, G. E. W. Bauer, and S. Takahashi
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 92 ページ: 054407(1-9)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.92.054407
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Current-induced spin torque resonance of a magnetic insulator (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Schreier, T. Chiba, A. Niedermayr, J. Lotze, M. Lammel, H. Huebl, S. Geprags, S. Takahashi, G. E. W. Bauer, R. Gross, and S. T. B. Goennenwein
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 92 ページ: 144411(1-6)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.92.144411
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Size dependence of Peltier cooling in ferromagnet|Au nano-pillars (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Bosu, Y. Sakuraba, T. Kubota, I. Juarez-Acosta, T. Sugiyama, K. Saito, M. A. Olivares-Robles, S. Takahashi, G. E. W. Bauer, and K. Takanashi
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 8 ページ: 083002(1-4)
  • DOI: 10.7567/APEX.8.083002
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Magnetization damping in noncollinear spin valves with antiferromagnetic interlayer couplings, (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Chiba, G. E. W. Bauer, and S. Takahashi
  • 学会等名: The 13th Joint MMM-Intermag Conference
  • 発表場所: San Diego, USA
  • 年月日: 2016-01-11 – 2016-01-15
  • 国際学会
• [学会発表] Effective exchange fields in spin-torque resonance of magnetic insulators (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Chiba, G. E. W. Bauer, and S. Takahashi
  • 学会等名: 13th RIEC International Workshop on Spintronics
  • 発表場所: Tohoku University (Sendai, Japan)
  • 年月日: 2015-11-18 – 2015-11-20
  • 国際学会
• [学会発表] Magnetization dynamics in trilayer synthetic antiferromagnets, International Workshop: Spintronics with Antiferromagnets (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Chiba, G. E. W. Bauer, and S. Takahashi
  • 学会等名: 32nd Reimei Workshop on Frontiers of Condensed Matter Physics
  • 発表場所: Tohoku University (Sendai, Japan)
  • 年月日: 2015-11-16 – 2015-11-17
  • 国際学会
• [学会発表] Fluid motion induced by spin injection (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Takahashi
  • 学会等名: International Workshop on Flow Dynamics and Spintronics
  • 発表場所: KTH Royal Institute of Technology (Sockholm, Sweden)
  • 年月日: 2015-11-12 – 2015-11-13
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Enhancement of Gilbert damping in trilayer synthetic antiferromagnets via dynamic exchange interactions (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Chiba, G. E. W. Bauer, and S. Takahashi
  • 学会等名: International conference on solid state devices and materials
  • 発表場所: Sapporo Convention Center (Sapporo, Japan)
  • 年月日: 2015-09-27 – 2015-09-30
  • 国際学会
• [学会発表] スピン流が人工反強磁性体に及ぼす影響の研究 III (2015)
  • 著者名/発表者名: 田中健勝, 森山貴広, 永田真己, 水野隼翔, 関剛斎, 高梨弘毅, 千葉貴裕, 高橋三郎, Gerrit E. W. Bauer, 小野輝男
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 関西大学（大阪府吹田市山手町）
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [学会発表] 絶縁性FeCo-MgFナノグラニュラー膜のTMD効果 (2015)
  • 著者名/発表者名: 小林伸聖, 岩佐忠義, 石田今朝男, 増本 博, 高橋三郎, 前川禎通
  • 学会等名: 第39回 日本磁気学会学術講演会
  • 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: 2015-09-08 – 2015-09-11
• [学会発表] スピン流が人工反強磁性体に及ぼす影響の研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 田中健勝, 森山貴広, 永田真己, 水野隼翔, 関剛斎, 高梨弘毅, 千葉貴裕, 高橋三郎, Gerrit E. W. Bauer, 小野輝男
  • 学会等名: 第39回 日本磁気学会学術講演会
  • 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: 2015-09-08 – 2015-09-11
• [学会発表] Theory of Current-Induced Spin Torque Resonance of Magnetic Insulators (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Chiba, G. E. W. Bauer, and S. Takahashi
  • 学会等名: 20th International Conference on Magnetism (ICM)
  • 発表場所: Barcelona, Spain
  • 年月日: 2015-07-05 – 2015-07-10
  • 国際学会
• [学会発表] Magnetization damping in antiferromagnetically coupled spin valves (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Chiba, G. E. W. Bauer, and S. Takahashi
  • 学会等名: New Perspectives in Spintronic and Mesoscopic Physics
  • 発表場所: Kashiwa-no-ha Conference Center (Kashiwa, Japan)
  • 年月日: 2015-06-01 – 2015-06-20
  • 国際学会
• [図書] Handbook in Spintronics (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Takahashi
  • 総ページ数: 36
  • 出版者: Springer