2016 Fiscal Year Research-status Report
自己発電型ナノマシンに向けたスピンを介した電力－動力間変換に関する理論的研究
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16K04930
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
古門 聡士 静岡大学, 工学部, 准教授 (50377719)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
角田 匡清 東北大学, 工学研究科, 准教授 (80250702)
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| Project Period (FY) |
2016-10-21 – 2019-03-31
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| Keywords | 伝導電子－局在スピン間相互作用 / スピン－分子運動間相互作用 / スピン緩和 / スピン軌道相互作用 / 異方性磁気抵抗効果 / 摂動理論 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は局在スピンを介した伝導電子－分子運動間相互作用Vに関する理論的研究である．このVは3d軌道の形状に強く依存し，その形状は交換分裂磁場H(∝磁化)とスピン軌道相互作用Vsoに依る．今回我々は3d軌道の波動関数を解析的にもとめ，その形状を調べるための実験的手法である異方性磁気抵抗(AMR)効果について研究を行った．特にAMR効果については強磁性体のAMR比の磁化方向依存性を調べた．ここで，AMR比はAMR(φ)=[rho(φ)-rho(π/2)]/rho(π/2)であり，φは磁化と電流の間の相対角，rho(φ)は角φでの抵抗率である．さらに磁化は(001)面内にあるとし，電流IはI//[100]とした．強磁性体は代表的物質のNiを考えた．このNiは支配的な伝導(s)電子がアップスピン電子であり，フェルミ準位上のdバンド状態密度(DOS)はダウンスピンDOSがアップスピンDOSより大きい．得られた結果は以下の通りである．
1. 3d軌道
結晶場エネルギーΔ，Vso(結合定数はλ)，Hから成る3d電子のハミルトニアンに対して摂動理論により波動関数を求めた．その波動関数は主成分の軌道に他の軌道(混成軌道)が僅かに混ざっており，その混成軌道の確率振幅はcos2φまたはsin2φを含む形となった．
2. 強磁性体NiのAMR比
上記3d軌道とボルツマン理論を用いて抵抗率をもとめ，その抵抗率からAMR比を導出した．AMR比はAMR(φ)=C0+C2cos2φ+C4cos4φとして表された．ここでC0，C2，C4はΔ，H，λからなり，C2cos2φ項は混成軌道の確率振幅の実部，C4cos4φ項は混成軌道の確率と関係付けられた．さらにC4は軌道ごとの部分状態密度の値によって符号が変わるものの，C2は常に正になることがわかった．なお実験ではC2とC4はともに正が観測されている．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
1. 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，そのAMR効果の理論を構築した．ただし，電流IはI//[100]とし，磁化は(001)面内にあるとした．
2. この理論を用いてNiのAMR効果を調べた結果，AMR比の式内の2回対称係数が正になり，実験結果と一致することが確認された．
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| Strategy for Future Research Activity |
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局在スピンを介した伝導電子－分子運動間相互作用を求める．
2. 電流IがI//[110]またはI//[001]の場合の異方性磁気抵抗比の式を導出する．
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| Causes of Carryover |
28年度は，まず単純モデルに対して手計算（摂動計算）による理論構築を行い，次にコンピュータによる数値計算を行った．数値計算は比較的小規模なものだったので既存のマシンを用いた．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
28年度開発した理論を種々の物質へ適用するため，コンピュータと計算ソフトを購入する予定である．
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[Journal Article] Magnetoresistance behaviors of conducting filaments in resistive-switching NiO with different resistance states2017
Author(s)
Diyang Zhao, Shuang Qiao, Yuxiang Luo, Aitian Chen, Pengfei Zhang, Ping Zheng, Zhong Sun, Minghua Guo, Fu-kuo Chiang, Jian Wu, Jian-Lin Luo, Jianqi Li, Satoshi Kokado, Yayu Wang, and Yonggang Zhao
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Journal Title
ACS Applied Materials & Interfaces
Volume: 9
Pages: 10835 - 10846
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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