Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

スピントロニクス / 核スピン / 機械振動 / フォノン / スピンゼーベック効果

本研究では、機械振動子などのマクロな力学運動からスピン励起・スピン流生成をしたり、逆にスピン励起・スピン流から力学運動を生み出す未開拓の現象群の開拓を行う。さらに、微小振動子の共振周波数に迫る低周波特性をもつ核スピンも取り入れた新しい学術の端緒を見出す。
本年度は、電子スピン系のスピン流を入力として機械振動を引き起こす新しい現象「スピン流体積効果」の実証に成功した（Nature Communications, in press）。試料には、大きなスピンホール効果を示す重金属Pt, W薄膜と高磁歪材料の接合系を用い、重金属層に流した電流方向及びスピンホール角（すなわち金属に生じるスピン蓄積方向）に応じて符号変化する磁性体材料中の体積変化を観測することに成功した。これは磁気体積効果（磁場下において磁性体の体積が変化する現象）のスピン流版といえる。理論計算との比較からスピン流注入による磁化揺らぎの変調とスピン-格子結合が重要な役割を担っていることが見出された。
また、前年度に立ち上げたMnCO3系の電子スピン波・核スピン波に対するスペクトロスコピー技術を金属系も含めたより広範囲な物質群へと拡張させるセットアップの構築を行った。絶縁性のよいモデル物質であるMnCO3とは異なり、表皮効果を無視できない金属系の核スピン波励起の観測と制御は一般に難しく、実際、核スピン波励起を明瞭に観測した例は極めて限られている。我々はスピントロニクス技術で広く利用されているブロードバンドFMR法にもとづく核スピン励起の観測方法を開拓し、金属系物質の核スピン波励起のシグナルを見出すことに成功した。

スピントロニクス / スピンゼーベック効果 / マグノン / 磁性ガーネット / 中性子散乱 / スピン流

本研究では、磁性ガーネット群の磁気励起特性（分散関係・寿命）を中性子散乱を基軸とした検出法により調べ、これらの情報をもとにスピンゼーベック効果(SSE)の信号特性を理解することを目指した。本研究を通じて、Y3Fe5O12(YIG)及び Tb3Fe5O12(TbIG)の磁気励起の全体像を解明することに成功し、LLG方程式に基づく理論計算と組み合わせることで、これら物質群のSSEの温度特性を説明可能であることを見出した。また、Bi-Ga置換のLuIG系において、低磁場域で巨大なマグノン-フォノン混成SSEを観測し、本結果が元素置換に伴うマグノン分散の変化と寿命低下によって理解できること示した。

本研究により、物性物理学の重要概念である“素励起”という観点から、熱スピン変換現象を包括的に理解するための指針が得られた。絶縁体スピントロニクス分野の基盤材料であるイットリウム鉄ガーネットYIGのマグノン分極を初めて観測したことは意義深く、今後本手法を利用して、より複雑な磁気構造をもつ材料のマグノン分散・分極の検出が期待されている。また本研究を通じて、これまで関係性が希薄であった中性子などを利用する量子ビーム分野とスピントロニクス分野とが有機的に結合していくための端緒が開かれたと言える。

スピントロニクス / スピン流 / スピンゼーベック効果 / スピンペルチェ効果 / マグノン / フォノン / 異常エッチングスハウゼン効果 / ロックインサーモグラフィ / 磁性材料 / スピンエレクトロニクス / 磁性 / 誘電体物性 / 熱工学

スピントロニクスとフォノニクスの融合により、熱スピン変換の高性能化・自在制御に資する物理と材料技術を開拓した。主な研究対象は、熱流からスピン流を生成するスピンゼーベック効果と、その逆効果であるスピンペルチェ効果である。スピンゼーベック効果の系統的な測定により、ナノ構造化によるマグノン・フォノン伝搬の独立制御、及び磁気弾性結合を介した熱的スピン流生成を実現した。さらにロックインサーモグラフィ法に基づく熱スピン効果のイメージング計測技術を確立し、スピン流に空間的に局在した温度変化が伴うことを見出した。これらの成果は、フォノニクスを取り込んだ次世代スピントロニクスの基盤となることが期待される。

スピンゼーベック効果 / スピントロニクス / スピン流 / 熱電効果

実験・理論の両面から熱スピントロニクスに関する系統的な研究を行い、温度勾配によるスピン圧生成現象「スピンゼーベック効果」の微視的起源がスピンの非相反性と揺動によって駆動される熱的スピンポンプ効果であることを明らかにした。この新しいスピン流駆動原理を用いることで、絶縁体におけるスピンゼーベック効果や音波注入によるスピン流生成現象の観測に成功した。

【研究分担者】
塩見淳一郎	東京大学	大学院工学系研究科(工学部)	教授	(Kakenデータベース)
井口亮	国立研究開発法人物質・材料研究機構	磁性・スピントロニクス材料研究拠点	研究員	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
藤川安仁	東北大学	金属材料研究所	准教授	(Kakenデータベース)
家田淳一	独立行政法人日本原子力研究開発機構	先端基礎研究センター	研究員	(Kakenデータベース)