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杉本 聡志*; 荒木 康史; 高橋 有紀子*; 家田 淳一; 葛西 伸哉*
Communications Physics (Internet), 8, p.100_1 - 100_9, 2025/03
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Physics, Multidisciplinary)Current-induced spin-orbit torque (SOT) at heavy metal/ferromagnet (HM/FM) interfaces plays a critical role in modern spintronics. The challenges in SOT research are to enhance the conversion efficiency and generate unconventional torque components. Here, we propose a simple protocol to meet such demands by engineering symmetrical structures, specifically by a wedge-shaped topological material interface in R-3m Bi
Te
(001)/FM heterostructures. The symmetry of the topological interface is manipulated to lead to unconventional emergences of both out-of-plane and in-plane spin polarizations. Torque measurements show that these polarizations have conversion efficiencies up to 10 percent. This considerable improvement in the SOT efficiency is characterized both qualitatively and quantitatively based on the nonreciprocal ferromagnetic resonance (FMR) spectra and the SOT dependence on the magnetic field direction. The observed enhancement in the unconventional SOT is attributed to the wedge-oriented symmetry reduction of the spin-momentum locking structure of interfacial Dirac fermions. This advance opens new avenues for designing geometrically novel spintronics devices, demonstrating the potential of using multidirectional SOTs for forthcoming nanotechnological applications.
のワイル電子を活用したスピン制御荒木 康史; 家田 淳一
まぐね, 20(1), p.12 - 17, 2025/02
スピントロニクスにおいて、スピンの電気的操作に際して発生する電力損失は大きな課題である。このジュール発熱を回避する過程として、我々は電子状態のトポロジカル構造を組み込んだ電場誘起スピントルクの理論を構築した。このトポロジカルな寄与は散逸の影響を受けず、従来のスピン移行トルクに比べて単位電流あたりのトルク効率を著しく向上させる。本原理によるスピントルクの発現は、トポロジカルな電子系の典型例である「ワイル電子」を持つ、強磁性酸化物SrRuOにおける磁化反転実験によって検証された。
山口 雄司; 明午 伸一郎; 山崎 高幸*
Proceedings of 21st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.239 - 243, 2024/10
J-PARC 3GeV陽子ビーム輸送施設(3NBT)では、3GeVシンクロトロンから物質・生命科学実験施設の粒子生成標的へ陽子ビームを輸送している。ミュオン生成標的で生成する二次粒子は四極電磁石やソレノイドによって二次ビームラインへ取り出されるが、大強度ミュオンビームラインのソレノイドの漏れ磁場は、3GeV陽子の軌道に大きく影響し、ミュオン生成標的より下流の中性子生成標的上のビーム位置を変化させ、機器保護システムにより運転を停止させ得る。安定したビーム運転のためには正確な軌道補正が重要となるが、そのためにはソレノイドの励磁電流と漏れ磁場の関係を正確に理解する必要がある。本発表では、ソレノイドの励磁による陽子ビームの軌道の変化から励磁電流と漏れ磁場の関係を明らかにするとともに、軌道補正結果を報告する。
家田 淳一; 荒木 康史; 山根 結太*
固体物理, 59(8), p.403 - 410, 2024/08
In recent years, "emergent inductors" using current-induced magnetization dynamics in magnetic nanostructures have been discovered, opening the way to power control in the nanoscale, which was previously impossible. We review the spin-orbit interaction phenomenon for emergent inductors.
Zn
北澤 崇文; 池田 陽一*; 榊原 俊郎*; 松尾 晶*; 清水 悠晴*; 徳永 陽; 芳賀 芳範; 金道 浩一*; 南部 雄亮*; 池内 和彦*; et al.
Physical Review B, 108(8), p.085105_1 - 085105_7, 2023/08
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Materials Science, Multidisciplinary)We demonstrate field-induced single-ion magnetic anisotropy resulting from the multiorbital Kondo effect on diluted ytterbium alloy (Lu
Yb
)RhZn. Single-ion anisotropic metamagnetic behavior is revealed in low-temperature regions where the local Fermi-liquid state is formed. Specific heat, low-field magnetic susceptibility, and resistivity indicate reproduction of the ground-state properties by the SU(
= 8) Kondo model with a relatively large 
-
hybridization of 
= 60.9 K. Dynamical susceptibility measurements on YbRhZn support realizing multiorbital Kondo ground state in (LuYb)RhZn. The single-ion magnetic anisotropy becomes evident above 
5 T, which is lower than the isotropic Kondo crossover field of 22.7 T, verifying blurred low-lying crystal field states through the multiorbital Kondo effect.
増田 啓人*; 山根 結太*; 関 剛斎*; Raab, K.*; 土肥 昂尭*; Modak, R.*; 内田 健一*; 家田 淳一; Kl
ui, M.*; 高梨 弘毅
Applied Physics Letters, 122(16), p.162402_1 - 162402_7, 2023/04
被引用回数：3 パーセンタイル：41.86(Physics, Applied)We report current-induced magnetization switching in Pt/Co/Ir/Co/Pt multilayers with different Ir layer thicknesses (
), where the perpendicularly magnetized Co layers are coupled ferromagnetically or antiferromagnetically through an interlayer exchange coupling and are sandwiched by the Pt spin Hall layers. The domain structures formed during switching vary depending on the magnetization alignment, i.e., ferromagnetically coupled or antiferromagnetically coupled configuration. These results clarify the macroscopic picture of switching process for interlayer exchange-coupled systems. The local picture of the switching process is also examined by a numerical calculation based on a macrospin model, which reveals the switching dynamics triggered by dual spin-orbit torque for both antiferromagnetically and ferromagnetically coupled cases. The numerical calculation shows that the dual spin-orbit torque from the two Pt layers effectively acts on the two Co layers not only for the antiferromagnetically coupled case but also for the ferromagnetically coupled one. Our findings deepen the under- standing of the switching mechanism in a magnetic multilayer and provide an avenue to design spintronic devices with more efficient spin-orbit torque switching.
渡邊 成*; 荒木 康史; 小林 浩二*; 小澤 耀弘*; 野村 健太郎*
Journal of the Physical Society of Japan, 91(8), p.083702_1 - 083702_5, 2022/08
被引用回数：7 パーセンタイル：60.71(Physics, Multidisciplinary)本論文では籠目格子上で構成される磁気秩序について、電子系の強束縛ハミルトニアンに基づいて数値計算を行い、電子の充填率及びスピン軌道相互作用の強さに対する依存性を調べる。籠目格子上では電子の充填率によって、強磁性及びノンコリニア反強磁性秩序のいずれも取りうることを示す。これらの磁気秩序は、籠目格子に特有のディラック分散や平坦バンドといったバンド構造に由来するものである。更に、Kane-Mele型やRashba型のスピン軌道相互作用を導入することで、実効的なDzyaloshinskii-Moriya相互作用が誘起され、磁気スパイラルや反強磁性120度構造等のノンコリニアな磁気秩序が安定化されることを示す。本研究によって得られた磁気秩序の相構造に関する知見は、ワイル・ディラック電子を示すような籠目格子の層状物質群における磁気秩序の起源を理解するのに役立つと期待される。
山根 結太*; 深見 俊輔*; 家田 淳一
Physical Review Letters, 128(14), p.147201_1 - 147201_6, 2022/04
被引用回数：9 パーセンタイル：69.10(Physics, Multidisciplinary)らせん磁性体で最近発見された創発インダクタンスの理論を、空間反転対称性が破れた場合に生じるスピン軌道相互作用を考慮に入れることで任意の磁気テクスチャに拡張する。強磁性体中電子の動的アハロノフ-キャッシャー位相に基づく定式化で、スピン軌道創発インダクタンスの新概念提案を行う。スピン軌道創発インダクタンスは、空間的に一様な磁化でも磁性とスピン軌道相互作用の共存で普遍的に生じ、広範囲の温度と周波数で安定した動作を実現する。空間反転非対称性を備えた強磁性体を含む広く研究されている実験系を、本研究が提供する新しい視点で再考することで、超広帯域周波数範囲でのスピン軌道物理学とスピントロニクスベースの電力管理の研究に新しいパラダイムを開くことにつながる。
山ノ内 路彦*; 荒木 康史; 酒井 貴樹*; 植村 哲也*; 太田 裕道*; 家田 淳一
Science Advances (Internet), 8(15), p.eabl6192_1 - eabl6192_6, 2022/04
被引用回数：9 パーセンタイル：69.10(Multidisciplinary Sciences)強磁性ワイル金属SrRuOにおける、電流によって磁壁に作用する大きな有効磁場
を報告する。電流密度に対するの比率は、非単調な温度依存性を示し、従来のスピン移行トルクおよびスピン軌道トルクの比率を上回っていることが示される。この増強効果は、磁壁に電場が印加されたときに、ワイル点の周りに出現するワイル電子によって磁壁に作用するトポロジカルホールトルク(THT)によってよく説明される。電流密度に対するTHTから生じるの比率は、金属系で報告されているスピン移行トルクおよびスピン軌道トルクから生じるものよりも1桁以上高く、THTが スピントロニクスデバイスにおける磁化の操作においてエネルギー効率の良い方法を提供する可能性があることを示している。
荒木 康史; 家田 淳一
Physical Review Letters, 127(21), p.277205_1 - 277205_7, 2021/12
被引用回数：7 パーセンタイル：50.69(Physics, Multidisciplinary)強いスピン-軌道相互作用の下での電子系には、運動量空間内のトポロジーが発現する。この電子系トポロジーは磁性体中の磁気構造に対して、乱れや熱揺らぎに影響されない電場誘起トルクを与える。本研究では現象論的なトルクの分類に基づき、バンドトポロジーとトルクの間の直接的な関係を示す。内因性異常ホール効果と同様に、トルクにもまた、非平衡輸送電流に依らず異常速度に起因した内因的効果が現れる。特に本論文では、磁気構造内でのみ現れる内因的トルクの存在を明らかにし、これを「トポロジカルホールトルク(THT)」と呼ぶ。このTHTはバルク結晶中で現れ、界面や表面といった構造を用いる必要がないものである。数値モデルの計算に基づき、金属強磁性体中での従来のスピン移行トルクと比較して、このTHTは非常に大きなトルクを与えることを明らかにする。特に金属強磁性体
における実験で報告されていた巨大な電流誘起トルクは、このTHTとして理解できることを示す。
斉藤 淳一; 小林 洋平*; 澁谷 秀雄*
Materials Transactions, 62(10), p.1524 - 1532, 2021/10
被引用回数：10 パーセンタイル：51.30(Materials Science, Multidisciplinary)高速炉の冷却材である液体ナトリウムの新規技術の創出の一環として、液体ナトリウムの濡れ性制御の研究開発を実施しており、本発表はその基礎的研究として、純金属の液体ナトリウムと液体錫の濡れ性を接触角により評価した。また、界面の原子間相互作用を界面クラスターモデルを用いて分子軌道法により理論計算した。その結果、界面の原子間結合力と濡れ性には相関があることが明らかになった。この知見は今後、ナトリウム濡れ性を制御するうえで、重要な情報となる。
竹内 祐太郎*; 山根 結太*; Yoon, J.-Y.*; 伊藤 隆一*; 陣内 佛霖*; 金井 駿*; 家田 淳一; 深見 俊輔*; 大野 英男*
Nature Materials, 20(10), p.1364 - 1370, 2021/10
被引用回数：125 パーセンタイル：98.78(Chemistry, Physical)Electrical manipulation of magnetic materials by current-induced spin torque constitutes the basis of spintronics. Recent studies have demonstrated electrical controls of ferromagnets and collinear antiferromagnets by spin-orbit torque (SOT). Here we show an unconventional response to SOT of a non-collinear antiferromagnet, which has recently attracted great attention owing to large anomalous Hall effect despite vanishingly small net magnetization. In heterostructures with epitaxial non-collinear antiferromagnet MnSn, we observe a characteristic fluctuation of Hall resistance, which is attributed to a persistent rotation of chiral-spin structure of MnSn driven by SOT. We find that level of the fluctuation that varies with sample size represents the number of magnetic domains of MnSn. In addition, MnSn thickness dependence of critical current reveals that SOT generated by small current density below 20 MA cm
effectively acts on the chiral-spin structure even in thick MnSn above 20 nm. The results provide unprecedented pathways of electrical manipulation of magnetic materials, offering new-concept spintronics devices with unconventional functionalities and low-power consumption.
紅林 大地*; 荒木 康史; 野村 健太郎*
Journal of the Physical Society of Japan, 90(8), p.084702_1 - 084702_9, 2021/08
被引用回数：8 パーセンタイル：59.19(Physics, Multidisciplinary)本研究では、磁性ワイル半金属において電流および電圧によって誘起されるスピントルクの理論を導出する。磁性ワイル半金属においては、非自明なトポロジーを持つバンド構造に由来して磁化と電子輸送が結合し、スピントロニクスに適した性質を示す。本論文では、磁化構造の勾配および電流に関する摂動展開に基づき、電流によって誘起されるスピントルクを網羅的に導出する。このトルクはスピン軌道トルク及びスピン移行トルクを内包するものである。更に、電圧(電位差)によって誘起されるトルクも微視的に導出し、このトルクがスピンと軸性カレントの対応関係、及びカイラルアノマリーに由来するものであることを示す。
山 正樹*; 立野 雅大*; 加藤 岳生*; 松尾 衛
Physical Review B, 104(5), p.054410_1 - 054410_9, 2021/08
被引用回数：8 パーセンタイル：47.89(Materials Science, Multidisciplinary)We theoretically consider spin pumping in a junction between a ferromagnetic insulator (FI) and a two-dimensional electron gas (2DEG) in which the Rashba and Dresselhaus spin-orbit interactions coexist. Using second-order perturbation theory, we derive an increase in linewidth in the case of an interfacial exchange coupling in a ferromagnetic resonance (FMR) experiment. We clarify how the enhancement of Gilbert damping depends on the resonant frequency and spin orientation of the FI. We show that this setup of an FMR experiment can provide information on the spin texture of 2DEG at the Fermi surface.
荒木 康史; 三澤 貴宏*; 野村 健太郎*
Physical Review Research (Internet), 3(2), p.023219_1 - 023219_15, 2021/06
本論文では、トポロジカルディラック半金属(TDSM)表面のギャップレス状態を介した、長距離スピン伝送を理論面から提案する。次世代のスピントロニクス素子の構築のためには、散逸の少ないスピン流を実現することが必要である。主要なスピン流のキャリアは金属中の伝導電子や磁性絶縁体中のスピン波であるが、これらはジュール熱やギルバート緩和により伝播距離が制限される問題がある。本研究ではTDSM(CdAs, NaBi等)のスピン・ヘリカルな表面状態が、乱れに対して頑強である性質を用いて、低散逸で長距離のスピン輸送を提案する。2つの磁性絶縁体とTDSMの接合系を考え、一方の磁性体の磁化ダイナミクスにより、TDSM表面を介して他方の磁性体に注入されるスピン流に注目する。表面における輸送理論と、格子模型による実時間発展シミュレーションを併用することにより、TDSM表面を流れるスピン流は準量子化された値をとり、その値は界面の微視的な結合の構造によらないことを示す。さらに、このスピン流は長距離においても乱れに対して強いことを示し、TDSMがスピントロニクス素子へ応用可能な表面状態をもつことを提案する。
荒木 康史; 末永 大輝*; 鈴木 渓; 安井 繁宏*
Physical Review Research (Internet), 3(2), p.023098_1 - 023098_17, 2021/05
相対論的フェルミオンのスピンは軌道自由度と強い相関を持つ。このような相対論的粒子と非相対論的粒子が混在する場合の効果として、本研究ではスピン-軌道帯磁率に着目する。スピン-軌道帯磁率は軌道磁場(粒子の軌道運動に対してベクトルポテンシャルとして働く磁場の効果)に対するスピン偏極の応答として定義されるものであり、スピン-軌道相互作用に起因するものである。理論解析の結果、相対論的粒子と非相対論的粒子の混成がある場合、スピン-軌道帯磁率はバンド混成点近傍のフェルミエネルギーで変化することが示された。この混成効果により、磁場下では非相対論的粒子のスピン偏極も誘起されることが明らかになった。さらにこの混成効果は、熱平衡を破るような動的な磁場の摂動下では増強されることを明らかにした。スピン-軌道帯磁率に対するこれらの効果は、固体中のディラック電子に対する結晶対称性の破れや不純物ドープ、および相対論的重イオン衝突における軽いクォークと重いクォークの混成といった状況下で、実験的に実現されうることを議論する。
斉藤 淳一; 小林 洋平*; 澁谷 秀雄*
日本金属学会誌, 85(3), p.110 - 119, 2021/03
被引用回数：1 パーセンタイル：5.12(Metallurgy & Metallurgical Engineering)Wettability of pure transition metals with liquid sodium or liquid tin has been evaluated using a contact angle droplet method. Titanium, iron, nickel, copper and molybdenum pure metals were selected as specimens in this experiment. All experiments were carried out in high purity argon gas and extremely low moisture to avoid influence of oxygen to liquid metal. Measurement temperature was set just above the melting temperature of each liquid metal. As a result, for both liquid sodium and liquid tin, the measured contact angle changed depending on the atomic number of substrate metals. An electronic structure of the interface between liquid metal and substrate metal was calculated by the molecular orbital method. Simple cluster models of the interface between liquid metal and substrate transition metals were used in this calculation. It was found that the calculation results well express an electronic state of interface. The atomic bonding between liquid metal atom and substrate metal atom changed depending on the kind of substrate metal. Also, the atomic bonding between substrate metal atoms changed similarly. It became clear that there was a reasonable relationship between an atomic bonding ratio and the contact angle. It clearly suggested the atomic bonding affected wettability between liquid metal and substrate metal. The atomic bonding was obtained as one of indications to reveal the wettability by transition metals with liquid metals.
Ramos, R.*; 巻内 崇彦*; 吉川 貴史*; 大門 俊介*; 大柳 洸一*; 齊藤 英治
Applied Physics Letters, 117(24), p.242402_1 - 242402_5, 2020/12
被引用回数：1 パーセンタイル：4.04(Physics, Applied)We investigated the magnetotransport properties of mesoscopic platinum nanostructures (wires and rings) with sub-100 nm lateral dimensions at very low temperatures. Despite the strong spin-orbit interaction in platinum, oscillation of the conductance as a function of the external magnetic field due to quantum interference effects was found to appear. The oscillation was decomposed into Aharonov-Bohm periodic oscillations and aperiodic fluctuations of the conductance due to a magnetic flux piercing the loop of the ring and the metal wires forming the nanostructures, respectively. We also investigated the magnetotransport under different bias currents to explore the interplay between electron phase coherence and spin accumulation effects in strong spin-orbit conductors.
Schreiber, F.*; Baldrati, L.*; Schmitt, C.*; Ramos, R.*; 齊藤 英治; Lebrun, R.*; Klui, M.*
Applied Physics Letters, 117(8), p.082401_1 - 082401_5, 2020/08
被引用回数：29 パーセンタイル：81.39(Physics, Applied)We demonstrate stable and reversible current induced switching of large-area (
100 
m
) antiferromagnetic domains in NiO/Pt by performing concurrent transport and magneto-optical imaging measurements in an adapted Kerr microscope. By correlating the magnetic images of the antiferromagnetic domain changes and magneto-transport signal response in these current-induced switching experiments, we disentangle magnetic and non-magnetic contributions to the transport signal. Our table-top approach establishes a robust procedure to subtract the non-magnetic contributions in the transport signal and extract the spin-Hall magnetoresistance response associated with the switching of the antiferromagnetic domains, enabling one to deduce details of the antiferromagnetic switching from simple transport measurements.
Baldrati, L.*; Schmitt, C.*; Gomonay, O.*; Lebrun, R.*; Ramos, R.*; 齊藤 英治; Sinova, J.*; Klui, M.*
Physical Review Letters, 125(7), p.077201_1 - 077201_6, 2020/08
被引用回数：42 パーセンタイル：90.27(Physics, Multidisciplinary)We achieve current-induced switching in collinear insulating antiferromagnetic CoO/Pt, with fourfold in-plane magnetic anisotropy. This is measured electrically by spin Hall magnetoresistance and confirmed by the magnetic field-induced spin-flop transition of the CoO layer. By applying current pulses and magnetic fields, we quantify the efficiency of the acting current-induced torques and estimate a current-field equivalence ratio of 
TA
m. The N
el vector final state 
is in line with a thermomagnetoelastic switching mechanism for a negative magnetoelastic constant of the CoO.
