2017 Fiscal Year Annual Research Report
Coupling between spin and mechanical rotation in spintronics
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17H02927
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
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)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中堂 博之 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, 研究副主幹 (30455282)
小野 正雄 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, 研究副主幹 (50370375)
緒方 裕大 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 先端基礎研究センター, 博士研究員 (80757691) [Withdrawn]
Gu Bo 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, 研究職 (90631333)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | スピントロニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
物質の持つ様々な角運動量（スピン）と力学回転との相互作用を明らかにし、力学回転による角運動量制御法を確立するとともに、力学回転運動を組み込んだスピントロニクス（スピンメカトロニクス）を開拓する。１９１５年にアインシュタイン等は、力学回転と磁気モーメントの結合を見出し（アインシュタイン-ド・ハース効果）、電子の角運動量が磁気の起源であることを明らかにした。物質の持つ角運動量は、電子スピン、原子核スピン、力学回転、流体中の渦（局所回転）等多彩である。これらの角運動量間の相互変換を用いて、非慣性系におけるゲージ理論を枠組みとし、現代的手法を駆使した実験手法と組み合わせ、スピントロニクスの新たな展開をはかる。研究対象は（１）核バーネット効果、（２）バーネット効果による角運動量補償点の探索、（３）スピン注入によるアインシュタイン-ド・ハース効果、（４）核スピンポンピングである。（１）核バーネット効果においては、昨年度までにスピンベリー位相との協力現象によりNMRスペクトルが分裂することを見いだしていたが、これを定式化した。さらに、このスペクトル構造がフロッケ定理の視点からも解釈可能であることがわかった。これによると、回転運動はスピン1/2に相当する自由度に対応している。（２）角運動補償点の探索においては、室温から100Kまで温度制御可能なバーネット効果の測定装置を開発した。実験の結果、Ho3Fe5O12（HoIG）の角運動量補償点が242Kであることを突き止めた。（３）Y3Fe5O12(YIG)を微細加工して作成したマイクロカンチレバーに対して、スピン波スピン流を注入することによりカンチレバーを駆動することに成功した。（４）強磁性体のNMR特有の信号増幅効果を介した、核スピンポンピング理論を構築した。
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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
本年度は申請書であげた4つのテーマについて取り組み、おおむね計画通りの進捗があった。（１）核バーネット効果においては、コイル回転法によるNMRスペクトルの分裂を、バーネット効果とスピンベリー位相の干渉を考慮することにより定式化することができた。さらに、このスペクトル構造がフロッケ定理の観点からも解釈可能であることがわかった。これによると、回転運動はスピン1/2に相当する自由度が増えることに対応している。力学回転によりスピン自由度が増加するという今までになかった解釈を提案でき、また、定式化できつつある。（２）バーネット効果を用いた角運動補償点の探索においては、まず、従来バーネット効果は室温のみで実験が行われていたものを、低温120Kまで温度領域を拡張することができたことが進捗としてあげられる。また、HoIGに対して実験を行ったところ、角運動量補償点が242Kであることを突き止めた。現在論文を執筆中である。（３）スピン注入アインシュタイン-ドハース効果においては、当初計画の液体金属に対するスピン注入駆動実験の装置開発はほぼ完了しており、予備的な測定を開始している。このテーマに関連して新たにマイクロカンチレバーにスピン波スピン流を注入し、アインシュタイン-ドハース効果によってカンチレバーを駆動する実験を行った。その結果YIGを微細加工して作成したマイクロカンチレバーをスピン波スピン流で駆動することに成功した。（４）強磁性体のNMR特有の信号増幅効果を介した、核スピンポンピング理論を構築し論文にまとめている。実験においてはホイスラー合金やYIGといった強磁性体と白金の二層膜において2Kまでの低温領域において実験を進行中である。
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| Strategy for Future Research Activity |
（１）核バーネット効果では、コイル回転法によるNMRスペクトルの分裂をフロッケの定理の観点から解釈したとき、スピン1/2一つ分の自由度に回転を加えると、スピン1/2二つ分の自由度と解釈できる。このスピン二つ分の自由度をそれぞれ独立に操作できれば、1量子ビットに回転を加えることで２量子ピットとなることに対応している。この成果を論文にまとめることと平行して、二つのスピンに相当する自由度を独立に操作する実験を行う。（２）バーネット効果を用いた角運動補償点の探索においては、HoIGのHoサイトをDyに置換すると角運動量補償点が高温側にシフトすることを確認している。室温において角運動量補償点を持つ物質を開発できれば高速磁化反転等の応用上重要な用途が期待できるため、Dyの最適置換量を同定する。また、現状120Kが低温の限界であるが、さらなる低温化を目指し、新規物性の探索を引き続き行う。（３）スピン注入アインシュタイン-ドハース効果においては、当初計画の液体金属に対する駆動実験を継続して行う。駆動量を増強するためにはスピン注入量を増やせば良いので、スピン注入源となっている白金管を並列にすることを検討している。また、昨年度成功したマイクロカンチレバーのスピン波スピン流注入による駆動に関しては、論文にまとめる予定である。（４）引き続き、ホイスラー合金やYIGといった強磁性体と白金の二層膜において実験を進行するとともに、核磁化の大きなMn系の化合物を対象とした核スピンポンプの実験を検討している。さらに、核磁化を動的に増強する、動的核分極を用いた実験も検討している。
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[Journal Article] Magnetization dynamics and its scattering mechanism in thin CoFeB films with interfacial anisotropy2017
Author(s)
A. Okada, S. He, B. Gu, S. Kanai, A. Soumyanarayanan, S. T. Lim, M. Tran, M. Mori, S. Maekawa, F. Matsukura, H. Ohno, and C. Panagopoulos
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Journal Title
PNAS
Volume: 144
Pages: 3815-3829
DOI
Peer Reviewed
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