2016 Fiscal Year Annual Research Report
Functional design of spin conversions
| Project Area | nano spin conversion science |
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26103006
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
村上 修一 東京工業大学, 理学院, 教授 (30282685)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
多々良 源 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, チームリーダー (10271529)
Bauer Gerrit 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (10620213)
前川 禎通 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, センター長 (60005973)
永長 直人 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (60164406)
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| Project Period (FY) |
2014-07-10 – 2019-03-31
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| Keywords | スピンエレクトロニクス / 物性理論 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
村上は強磁性体薄膜のマグノンのベリー曲率を、双極子相互作用と交換相互作用をとりいれて定式化し、符号変化が起こることや、この符号変化が支配的な相互作用のクロスオーバーによることを示した。またらせん型の結晶で、電流誘起軌道磁化が古典的なソレノイドと比べ大きく増大する場合があることを示した。
バウアーはYIGの磁性と輸送について、(1) マグノンバンド構造の温度依存性の微視的モデル化とスピンゼーベック効果の原子レベル大規模計算、(2)熱的・電気的制御によるマグノンの非局所伝導、(3)磁気弾性結合によるスピン流と熱流の結合で生じるマグノン-ポラリトンと呼ばれる新しい準粒子の発見とそのモデル化、等の成果を得た。
永長はベリー位相によるスピン・スピン流自由度と電荷・電流自由度の結合について、 ワイルフェルミオン系について、(i)スピン軌道相互作用に由来する電荷ポンピングの理論、(ii)強磁性体におけるスピン波の特異なダイナミクスとそのホール効果との関係、(iii)反転対称性が破れたワイル半金属における非相反電気伝導の理論、などを明らかにした。
前川は強磁性体/金属２層膜接合に温度差を加えると、強磁性体から金属にスピン流が注入される現象（スピンゼーベック効果）、スピン流を金属膜から強磁性体に注入すると温度差が生じる現象（スピンペルチエ効果）について、非平衡グリーン関数法を用いてスピン流と熱流のミクロな表式を導き、Onsagerの相反定理としてまとめられる事を示した。
多々良は電子スピンに対して働く有効ゲージ場が光に対しての有効ゲージ場として働き、方向2色性などの特異な光伝搬につながることを理論的に見出した。有効ゲージ場が電子、スピン波、さらに光などたくさんの自由度に普遍的に結合している事実はとても興味深い。ワイル型スピン軌道相互作用でも同様の結果を確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
以下に述べる様々な点で計画以上の進展があった。
まずマグノンのベリー曲率を扱う統一的な定式化に成功した。そのままでは見かけ上非エルミートで扱いが難しい問題をエルミートな問題に変換する一般的枠組みを見いだしたため、これをマグノンと他の波との結合波の問題などへと広く応用できる可能性が広がり、またそれを用いた新規現象の探索も大きく進めることができる。
さらにYIG等の良質な磁性絶縁体でのスピン変換現象を記述するためのさまざまな理論的枠組みを開発することができた。これは光学測定や輸送現象測定の結果を解釈することに役立ち、YIGやそのヘテロ構造を研究する国内外のグループとの共同研究を強く推進することができるようになった。
またワイルフェルミオンに関連したスピン・電荷結合が、空間反転対称性と時間反転対称性という最も基本的な対称性に関連した基本的な現象であることが明らかになってきた。絶縁体におけるマルチフェロイックスの概念の拡張に対応したこの新しい発展は、巨大な電気磁気応答や電場の2次に比例する非相反応答など、広範な現象へと展開する可能性を秘めている。
さらに、電子スピンに対して働く有効ゲージ場がスピン波や光までにも有効ゲージ場としてはたらくという予想外の結果を得た。このことから有効ゲージ場に基づく解析に更に大きな発展の可能性が出てきた。例えばゲージ場との結合にどの程度普遍的な振る舞いがあるかなど、今後の研究の発展の方向性が大きく広がっている。
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| Strategy for Future Research Activity |
村上は、マグノンのベリー曲率の理論を、マグノンと他の波（フォノン、電磁波など）の結合波にも応用し定式化することを目指す。さらに空間的な構造を変調させるなどによりこの結合をデザインできれば、例えば結合波でのトポロジカルエッジ状態の作成や、それを用いたスピン変換現象へとつながる可能性がある。
バウアーは、YIGのキャビティーでの実験に見られるようなマイクロ波と磁性秩序との強い結合に着目すると、スピン変換現象に新たな地平を開くことに着目し、その方向での新しい理論手法を獲得・発展させることを目指す。また、スピンゼーベック効果やポンププローブ実験でのフォノンと磁場とのコヒーレントな結合を扱う理論を発展させる。
永長が今後着目する非相反応答は、反転対称性が破れた物質において広く見出されているが、全体像が見えていないのが実情である。ダイオードやアイソレーターなどの応用にも重要なこの現象を、対称性とトポロジーの観点から統一的に記述する理論的体系を構築するとともに、半導体、金属、超伝導体など広範な物質群を対象に、電流、スピン流、熱流、に関連した多彩な現象・効果を開拓する。
前川は、現在のスピン流に関する研究をスピン流のノイズの研究にも発展させる。電気回路との類推でも分かるとおり、スピン流デバイスでもスピン流に加えて、そのノイズに重要な情報を含まれている。例えば、スピン流を電流に変換したときには、従来の電流ノイズに新たなノイズがつけ加わることがある。当研究では、スピン流ノイズの定式化を目指す。
多々良は、有効ゲージ場に基づく記述は普遍的な理解に役立つことを示してきたので、今後は有効ゲージ場と他自由度の結合の有無、普遍性などを微視的解析から調べる。電子など媒介自由度を量子的に消去することで計算を進め、有効ゲージ場との結合にどの程度ユニバーサル性があるかを相互作用バーテックスの計算により調べる。
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[Journal Article] Observation of temperature-gradient-induced magnetization2016
Author(s)
Hou, Dazhi; Qiu, Zhiyong; Iguchi, R, Sato, K, Vehstedt, EK, Uchida, K, Bauer, GEW, Saitoh, E
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Journal Title
Nature Communications
Volume: 7
Pages: 1～6
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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