磁性超格子におけるスピンゼーベック効果と異方性熱電変換

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26600067
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 内田 健一 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (50633541)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: スピントロニクス / スピン流 / スピンゼーベック効果 / 逆スピンホール効果 / 異常ネルンスト効果 / 薄膜 / 磁性体

研究実績の概要

本研究は、磁性多層膜構造を用いることで、スピン流による熱電変換効率を大幅に向上させることを目的としている。これまでの研究により
（１）フェリ磁性絶縁体/常磁性金属多層膜においてスピンゼーベック効果による熱起電力が界面数の増加に伴って飛躍的に増大すること (Phys. Rev. B: Rapid Commun. 92, 220407(R) (2015))
（２）強磁性金属/常磁性金属多層膜において異常ネルンスト効果による熱起電力が界面密度の増加に伴って単調に増大すること (Phys. Rev. B 92, 094414 (2015))
を実験的に見出しており、これらの成果は本年度に論文掲載された。特に（１）はスピンゼーベック熱電変換素子の性能指数の構成パラメータをすべて同時に改善できる可能性を秘めており、スピン流増大効果の起源解明や更なる出力向上に向けて、膜厚依存性測定、境界条件依存性測定、異常ネルンスト効果の重畳割合の評価、電流-電圧-電力特性の評価などを行った。（２）については、Fe/Pt、Fe/Au、Fe/Cu多層膜において類似した異常ネルンスト効果の増大が観測されており、物質依存性が非常に小さいという当初は予想していなかった結果が得られた。その起源を解明することで、汎用的な異常ネルンスト効果増大原理の確立に繋がることが期待される。
以上の成果に加えて、スピンゼーベック効果の強磁場応答特性の検証や、全強磁性構造を用いたスピンゼーベック効果と異常ネルンスト効果のハイブリッド熱電変換に関する実験も行い、スピン流による熱電変換能をさらに向上させるための指針を得た。

研究成果

• [国際共同研究] サラゴサ大学(スペイン)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: サラゴサ大学
• [雑誌論文] Flexible heat-flow sensing sheets based on the longitudinal spin Seebeck effect using one-dimensional spin-current conducting films (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Kirihara, K. Kondo, M. Ishida, K. Ihara, Y. Iwasaki, H. Someya, A. Matsuba, K. Uchida, E. Saitoh, N. Yamamoto, S. Kohmoto, T. Murakami
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 6 ページ: 23114_1-7
  • DOI: 10.1038/srep23114
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Spin-current injection and detection in κ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br (2015)
  • 著者名/発表者名: Z. Qiu, M. Uruichi, D. Hou, K. Uchida, H. M. Yamamoto, E. Saitoh
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 5 ページ: 057167_1-7
  • DOI: 10.1063/1.4922007
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] All-oxide spin Seebeck effects (2015)
  • 著者名/発表者名: Z. Qiu, D. Hou, T. Kikkawa, K. Uchida, E. Saitoh
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 8 ページ: 083001_1-3
  • DOI: 10.7567/APEX.8.083001
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Intrinsic surface magnetic anisotropy in Y3Fe5O12 as the origin of low-magnetic-field behavior of the spin Seebeck effect (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Uchida, J. Ohe, T. Kikkawa, S. Daimon, D. Hou, Z. Qiu, E. Saitoh
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 92 ページ: 014415_1-8
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.92.014415
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Critical suppression of spin Seebeck effect by magnetic fields (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Kikkawa, K. Uchida, S. Daimon, Z. Qiu, Y. Shiomi, E. Saitoh
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 92 ページ: 064413_1-9
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.92.064413
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Observation of inverse spin Hall effect in ferromagnetic FePt alloys using spin Seebeck effect (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Seki, K. Uchida, T. Kikkawa, Z. Qiu, E. Saitoh, K. Takanashi
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 107 ページ: 092401_1-4
  • DOI: 10.1063/1.4929691
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Enhancement of anomalous Nernst effects in metallic multilayers free from proximity-induced magnetism (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Uchida, T. Kikkawa, T. Seki, T. Oyake, J. Shiomi, Z. Qiu, K. Takanashi, E. Saitoh
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 92 ページ: 094414_1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.92.094414
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Unconventional scaling and significant enhancement of the spin Seebeck effect in multilayers (2015)
  • 著者名/発表者名: R. Ramos, T. Kikkawa, M. H. Aguirre, I. Lucas, A. Anadón, T. Oyake, K. Uchida, H. Adachi, J. Shiomi, P. A. Algarabel, L. Morellón, S. Maekawa, E. Saitoh, M. R. Ibarra
  • 雑誌名: Physical Review B: Rapid Communications 巻: 92 ページ: 220407(R)_1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.92.220407
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] Thermo-spin effects in magnetic insulators (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Uchida
  • 学会等名: 603. Wilhelm und Else Heraeus Seminar "Magnonics - Spin Waves Connecting Charges, Spins and Photons"
  • 発表場所: Bad Honnef, Germany
  • 年月日: 2016-01-07 – 2016-01-07
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] スピン流-熱流相互変換 (2015)
  • 著者名/発表者名: 内田健一
  • 学会等名: 東北大学電気通信研究所共同プロジェク研究S 研究会
  • 発表場所: 仙台市青葉区
  • 年月日: 2015-12-05 – 2015-12-05
  • 招待講演
• [学会発表] Spin Seebeck effect: from fundamentals to applications (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Uchida
  • 学会等名: Workshop on Non-linear spin-heat interactions
  • 発表場所: Columbus, USA
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-16
  • 国際学会 / 招待講演