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論文

Magnetic hysteresis induction with nanocolumnar defects in magnetic insulators

針井 一哉*; 埋田 真樹; 有沢 洋希*; 日置 友智*; 佐藤 奈々; 岡安 悟; 家田 淳一

Journal of the Physical Society of Japan, 92(7), p.073701_1 - 073701_4, 2023/07

https://doi.org/10.7566/JPSJ.92.073701
 被引用回数：1 パーセンタイル：57.37(Physics, Multidisciplinary)

Magnetic property modification of an easy-plane magnetic insulator caused by an accumulation of nanocolumnar defects along the film normal was investigated by numerical simulations and heavy-ion beam irradiation experiments. Micromagnetic simulations suggest that depending on the density of the nonmagnetic nanocolumnar defects, the microstructure of the fragmented ferromagnetic domains is formed leading to magnetic coercivity enhancement as well as magnetization reduction. To prove this prediction, gold ions with 300 MeV were used for the irradiation to create amorphous nanocolumnar defects in crystalline bismuth-doped lutetium iron garnet (Bi:LuIG) films. As increasing the ion-irradiation dose, the modifications of the saturation magnetization and magnetic coercivity were observed in an uncorrelated manner; the enhancement of magnetic coercivity exhibits a fluence threshold whereas the decrease of saturation magnetization caused by ion-beam damage is monotonic with increasing beam fluence. These behaviors qualitatively agree with the numerical simulations and the models by continuum percolation theory. Because the irradiation effects are controlled by beam fluences, the present method has the potential to be a microstructuring technique for magnetic insulator.

論文

Paramagnetic spin Hall magnetoresistance

大柳 洸一*; Gomez-Perez, J. M.*; Zhang, X.-P.*; 吉川 貴史*; Chen, Y.*; Sagasta, E.*; Chuvilin, A.*; Hueso, L. E.*; Golovach, V. N.*; Sebastian Bergeret, F.*; et al.

Physical Review B, 104(13), p.134428_1 - 134428_14, 2021/10

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.104.134428
 被引用回数：13 パーセンタイル：78.56(Materials Science, Multidisciplinary)

We report the observation of the spin Hall magnetoresistance (SMR) in a paramagnetic insulator. By measuring the transverse resistance in a Pt/Gd$$_3$$Ga$$_5$$O$$_{12}$$ (GGG) system at low temperatures, paramagnetic SMR is found to appear with an intensity that increases with the magnetic field aligning GGG's spins. The observed effect is well supported by a microscopic SMR theory, which provides the parameters governing the spin transport at the interface. Our findings clarify the mechanism of spin exchange at a Pt/GGG interface, and demonstrate tunable spin-transfer torque through the field-induced magnetization of GGG. In this regard, paramagnetic insulators offer a key property for future spintronic devices.

論文

Spin Hall magnetoresistance in Pt/Cr$$_2$$O$$_3$$/YIG structure

Qi, J.*; Hou, D.*; Chen, Y.*; 齊藤 英治; Jin, X.*

Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 534, p.167980_1 - 167980_6, 2021/09

https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2021.167980
 被引用回数：1 パーセンタイル：7.51(Materials Science, Multidisciplinary)

Temperature dependence of the spin Hall magnetoresistance (SMR) has been investigated herein Pt/Cr$$_2$$O$$_3$$/Y$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$ structure. Well below the N$'{e}$el temperature of Cr$$_2$$O$$_3$$, the SMR is not observed at the noise level of 1.2 ppm. In vicinity of the N$'{e}$el temperature, only a positive SMR tracks the YIG magnetic switching process, supporting that the SMR of normal metal/antiferromagnetic insulator/ferromagnetic insulator trilayer is controlled by the N$'{e}$el vector of the antiferromagnetic insulator. A high field magnetoresistance is observed up to an external magnetic field of 20000 Oe which has a field angle dependence symmetry consistent with the SMR. We attribute this high field magnetoresistance to be induced by the Hanle magnetoresistance in Pt.

論文

Crystalline dependence of spin transmission in Cr$$_2$$O$$_3$$ thin films

Qin, J.*; Hou, D.*; Chen, Y.*; 齊藤 英治; Jin, X.*

Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 501, p.166362_1 - 166362_4, 2020/05

https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.166362
 被引用回数：4 パーセンタイル：25.87(Materials Science, Multidisciplinary)

Spin transmission in Cr$$_2$$O$$_3$$ films of different crystalline textures is studied experimentally. With Y$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$/Cr$$_2$$O$$_3$$/Pt trilayer devices, a spin current is injected into Cr$$_2$$O$$_3$$ by spin pumping from Y$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$, and the spin transmission is monitored by the inverse spin Hall voltage ($$V_mathrm{ISHE}$$) in Pt. For (0001) plane textured Cr$$_2$$O$$_3$$ films, $$V_mathrm{ISHE}$$ vanishes quickly below the N$'{e}$el temperature. However, the $$V_mathrm{ISHE}$$ shows a broad shoulder below the N$'{e}$el temperature for $$(11bar{2}0)$$ and $$(11bar{2}3)$$ plane co-textured Cr$$_2$$O$$_3$$. Such a difference in the temperature dependence of Cr$$_2$$O$$_3$$ can be understood by the different N$'{e}$el vector orientations with respect to the injected spin moment direction.

論文

Electric readout of magnetic stripes in insulators

Chen, Y.*; 塩見 雄毅*; Qiu, Z.*; 新関 友彦*; 埋田 真樹*; 齊藤 英治

Scientific Reports (Internet), 9, p.19052_1 - 19052_8, 2019/12

https://doi.org/10.1038/s41598-019-55565-1
 被引用回数：0 パーセンタイル：0(Multidisciplinary Sciences)

In superconductors, a topological configuration of the superconducting order parameter called a superconducting vortex carries magnetization. Such a magnetic topological object behaves like a minute particle generating a magnetic flux. Since the flux is localized with a nanometer scale, the vortex provides a nano-scale probe for local magnetic fields. Here we show that information of magnetic stripes in insulators can be read out by using vortices in an adjacent superconductor film as a probe. The orientation and width of magnetic micro stripes are both transcribed into resistance change of the superconductor through the modulation of vortex mobility affected by local magnetization. By changing the direction of external magnetic fields, zero-field resistance changes continuously according to the stripe orientation, and its modulation magnitude reaches up to 100%. The width of the stripes can also be estimated from the oscillatory magnetoresistance. Our results demonstrate a new possibility for non-volatile analog memory devices based on topological objects.

論文

Spin Seebeck effect in the layered ferromagnetic insulators CrSiTe$$_3$$ and CrGeTe$$_3$$

伊東 直洋*; 吉川 貴史*; Barker, J.*; 廣部 大地*; 塩見 雄毅*; 齊藤 英治

Physical Review B, 100(6), p.060402_1 - 060402_6, 2019/08

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.100.060402
 被引用回数：45 パーセンタイル：88.88(Materials Science, Multidisciplinary)

We have studied the longitudinal spin Seebeck effect (LSSE) in the layered ferromagnetic insulators CrSiTe$$_3$$ and CrGeTe$$_3$$ covered by Pt films in the measurement configuration where spin current traverses the ferromagnetic Cr layers. The LSSE response is clearly observed in the ferromagnetic phase and, in contrast to a standard LSSE magnet Y$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$, persists above the critical temperatures in both CrSiTe$$_3$$/Pt and CrGeTe$$_3$$/Pt samples. With the help of a numerical calculation, we attribute the LSSE signals observed in the paramagnetic regime to exchange-dominated interlayer transport of in-plane paramagnetic moments reinforced by short-range ferromagnetic correlations and strong Zeeman effects.

論文

Spin transport in antiferromagnetic insulators; Progress and challenges

Hou, D.*; Qiu, Z.*; 齊藤 英治

NPG Asia Materials, 11, p.35_1 - 35_6, 2019/07

https://doi.org/10.1038/s41427-019-0135-9
 被引用回数：40 パーセンタイル：84.4(Materials Science, Multidisciplinary)

Spin transport is a key process in the operation of spin-based devices that has been the focus of spintronics research for the last two decades. Conductive materials, such as semiconductors and metals, in which the spin transport relies on electron diffusion, have been employed as the channels for spin transport in most studies. Due to the absence of conduction electrons, the potential to be a spin channel has long been neglected for insulators. However, since the demonstration of spin transmission through a ferromagnetic insulator, it was realized that insulators with magnetic ordering can also serve as channels for spin transport. Here, the recent progress of spin transport in antiferromagnetic insulators is briefly described with an introduction to the experimental techniques. The observations regarding the temperature dependence of spin transmission, spin current switching and the negative spin Hall magnetoresistance are discussed. We also include the challenges for developing the functionality of antiferromagnetic insulators as well as the unresolved problems from the experimental observations.

論文

Antiferromagnetic NiO thickness dependent sign of the spin Hall magnetoresistance in $$gamma$$-Fe$$_2$$O$$_3$$/NiO/Pt epitaxial stacks

Dong, B.-W.*; Baldrati, L.*; Schneider, C.*; 新関 友彦*; Ramos, R.*; Ross, A.*; Cramer, J.*; 齊藤 英治; Kl$"a$ui, M.*

Applied Physics Letters, 114(10), p.102405_1 - 102405_5, 2019/03

https://doi.org/10.1063/1.5080766
 被引用回数：11 パーセンタイル：52.56(Physics, Applied)

We study the spin Hall magnetoresistance (SMR) in epitaxial $$gamma$$-Fe$$_2$$O$$_3$$/NiO(001)/Pt stacks, as a function of temperature and thickness of the antiferromagnetic insulating NiO layer. Upon increasing the thickness of NiO from 0 nm to 10 nm, we detect a sign change of the SMR in the temperature range between 10 K and 280 K. This temperature dependence of the SMR in our stacks is different compared to that of previously studied yttrium iron garnet/NiO/Pt, as we do not find any peak or sign change as a function of temperature. We explain our data by a combination of spin current reflection from both the NiO/Pt and $$gamma$$-Fe$$_2$$O$$_3$$/NiO interfaces and the thickness-dependent exchange coupling mode between the NiO and $$gamma$$-Fe$$_2$$O$$_3$$ layers, comprising parallel alignment for thin NiO and perpendicular alignment for thick NiO.

論文

Unveiling new magnetic phases of undoped and doped manganites

堀田 貴嗣; Moraghebi, M.*; Feiguin, A.*; Moreo, A.*; 柚木 清司*; Dagotto, E.*

Physical Review Letters, 90(24), p.247203_1 - 247203_4, 2003/06

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.90.247203
 被引用回数：83 パーセンタイル：91.21(Physics, Multidisciplinary)

ドープされたあるいはドープされていないマンガン酸化物における新規な基底状態スピン構造を解明するために、軌道縮退二重交換模型を平均場近似や数値的手法によって解析した。ドープされていない場合、E-型と呼ばれる新しい反強磁性相が、パラメター空間において、A-型反強磁性相に隣接して現れる。その構造は、最近の実験結果と一致する。この絶縁体的なE-型反強磁性相は金属強磁性相とも競合しており、これは、ドープされていないマンガン酸化物においても超巨大磁気抵抗が現れる可能性を示唆している。また、ドープした層状マンガン酸化物に対して、$${rm C_x E_{1-x}}$$-型という別の新しい反強磁性状態を含む相図を得た。この新しい相の実験的検出についても議論する。

論文

Existence of a metallic ferromagnetic phase in models for undoped manganites

堀田 貴嗣

Physical Review B, 67(10), p.104428_1 - 104428_8, 2003/03

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.67.104428
 被引用回数：21 パーセンタイル：68.18(Materials Science, Multidisciplinary)

ドープされていないマンガン酸化物の強磁性状態における新しい金属絶縁体転移の存在が、ヤーンテラー歪みと強く結合する$$e_{rm g}$$-軌道縮退ハバード模型の数値的手法による解析に基づいて議論される。基底状態相図を電子・フォノン結合定数$$lambda$$とクーロン相互作用$$u$$によって定義される平面に描くと、銅酸化物に対する標準的な1バンドハバード模型とは対照的に、この$$e_{rm g}$$-軌道縮退ハバード模型においては、ハーフフィリングでも、$$lambda$$と$$u$$の有限の値に対して金属相が存在することがわかった。これは、フェルミ面の形状が、絶縁体相に特有の交替軌道秩序と整合しないためである。以上の結果に基づき、ドープされていないマンガン酸化物における超巨大磁気抵抗効果の新しいシナリオが議論される。

口頭

高速イオンビームによる磁性絶縁体の照射試験と局所変調

家田 淳一

no journal, , 

スピン-エネルギー科学研究グループでは放射線に強いとされるスピントロニクス材料の原子力分野での応用を目指している。その一環として、スピン熱電素子の重イオン照射耐性について調べた結果、素子は重イオン照射による円柱状欠陥形成でダメージを受けるが未照射部分は健全性を保ち続けること、また使用済み核燃料キャスク周辺での利用で十分な寿命を有することがわかった。また、スピン熱電素子のガンマ線照射線耐性についての調査結果も報告する。この一方、重イオン照射によって磁性絶縁体の磁気ヒステリシス特性が変調される現象を見出した。この現象に対し、重イオン照射領域が非磁性化し、磁性を持つ非照射領域が島状に分断されることによる形状効果に起因することを、マイクロマグネティックシミュレーションとパーコレーション理論の両面から明らかにした。

口頭

Non-Hermitian Casimir effect of magnons

仲田 光樹

no journal, , 

近年、非エルミート量子力学が注目を集めている。有限体積中の量子場の真空ゆらぎによって生じるカシミア効果は、古典力学には対応物が存在しないという意味において、量子力学的な効果といえる。これまでカシミア効果は、主に光子系を舞台に研究されてきた。しかし、量子場の理論の観点から鑑みると、光子場誘起のカシミア効果に類似の量子現象は、ゼロ点エネルギーを伴う他の量子場によっても創出されることが期待される。そこで本研究では、反強磁性磁性体中のスピン波を量子化したマグノンの量子場に着目し、マグノン版のカシミア効果「マグノンカシミア効果」を理論的に提案する。特にエルミート系だけでなく、エネルギー散逸のある非エルミート系も検討し、「例外点誘起のカシミア振動」をはじめとする非エルミート系に特有の量子物性「非エルミートマグノンカシミア効果(マグノン量子場による非エルミートカシミア効果)」を議論する。

口頭

Non-Hermitian Casimir effect of magnons

仲田 光樹

no journal, , 

近年、非エルミート量子力学が注目を集めている。有限体積中の量子場の真空ゆらぎによって生じるカシミア効果は、古典力学には対応物が存在しないという意味において、量子力学的な効果といえる。これまでカシミア効果は、主に光子系を舞台に研究されてきた。しかし、量子場の理論の観点から鑑みると、光子場誘起のカシミア効果に類似の量子現象は、ゼロ点エネルギーを伴う他の量子場によっても創出されることが期待される。そこで本研究では、反強磁性磁性体中のスピン波を量子化したマグノンの量子場に着目し、マグノン版のカシミア効果「マグノンカシミア効果」を理論的に提案する。特にエルミート系だけでなく、エネルギー散逸のある非エルミート系も検討し、「例外点誘起のカシミア振動」をはじめとする非エルミート系に特有の量子物性「非エルミートマグノンカシミア効果(マグノン量子場による非エルミートカシミア効果)」を議論する。

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