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論文

放射線とスピントロニクス

家田 淳一

放射線と産業, (146), p.48 - 52, 2019/06

スピントロニクス研究の現状について、「何ができて何が課題なのか」、「国内外の研究動向は」といった側面を紹介し、最後に「放射線や量子ビームとの接点」について検討する。

論文

Electric field control of magnetic domain wall motion via modulation of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction

小山 知弘*; 仲谷 栄伸*; 家田 淳一; 千葉 大地*

Science Advances (Internet), 4(12), p.eaav0265_1 - eaav0265_5, 2018/12

Pt/Co/Pd非対称構造において電場が磁壁速度を制御できることを示す。ゲート電圧を印加すると、50m/sまでの磁壁速度の著しい変化が観察され、これは以前の研究で観察されたものよりはるかに大きい。さらに、100m/sを超える磁壁速度の明確な変調も確認した。電場による界面のDzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)の数パーセントまでの変化が、速度変調の原因であることがわかった。ここに示されているDMIを介した速度変化は、電場による異方性変調によって引き起こされるものとは根本的に異なるメカニズムである。本結果は、スピントロニクスデバイスの性能を向上させることができるDMI制御によるスピン構造とダイナミクスの電気的操作への道を開くものである。

論文

反強磁性ナノ構造におけるスピントルクと電圧生成

山根 結太*; 家田 淳一

まぐね, 13(5), p.235 - 241, 2018/10

We overview the recent theoretical development on spin-transfer torque in antiferromagnetic nanostructures and related subjects. As antiferromagnetic materials are generating more attention lately due to their potential to play pivotal roles in spintronics applications, demands are rising for reliable methods to control and detect antiferromagnetic textures and their dynamics. While antiferromagnets are largely insensitive to external magnetic fields in general, electrical means are proving to be capable of offering promising ways to access the antiferromagnetic dynamics. We discuss in this article the possibility of manipulation and observation of dynamical antiferromagnetic textures by electrical current and voltage.

論文

Magnetic anisotropy by Rashba spin-orbit coupling in antiferromagnetic thin films

家田 淳一; Barnes, S. E.*; 前川 禎通

Journal of the Physical Society of Japan, 87(5), p.053703_1 - 053703_4, 2018/05

 被引用回数:1 パーセンタイル:47.22(Physics, Multidisciplinary)

Magnetic anisotropy in an antiferromagnet (AFM) with inversion symmetry breaking (ISB) is investigated. The magnetic anisotropy energy (MAE) resulting from the Rashba spin-orbit and $$s$$-$$d$$ type exchange interactions is determined for two different models of AFMs. The global ISB model, representing the effect of a surface, an interface, or a gating electric field, results in an easy-plane magnetic anisotropy. In contrast, for a local ISB model, i.e., for a noncentrosymmetric AFM, perpendicular magnetic anisotropy (PMA) arises. Both results differ from the ferromagnetic case, in which the result for PMA depends on the band structure and dimensionality. These MAE contributions play a key role in determining the direction of the N$'{e}$el order parameter in antiferromagnetic nanostructures, and reflect the possibility of electrical-field control of the N$'{e}$el vector.

論文

Spinmotive force

家田 淳一; 前川 禎通

Spin Current (2nd Edition), p.69 - 92, 2017/11

この章では、磁気伝導体のスピン流と電圧を発生させる新しい概念であるスピン起電力(SMF)について概説する。SMFは、伝導スピンと磁化の間の交換相互作用を介して磁気ナノ構造に誘起され、断熱的,非断熱的、およびそれらのスピン-軌道結合等価物の様々なタイプのスピン電界が見出されている。実験では、スピン軌道結合の寄与を含め断熱的SMFが観察されているが、非断熱効果の検出はいまだ困難である。SMFは、磁化ダイナミクスの電気的検出を提供するため、通常の方法では困難であった反強磁性体のダイナミクスを検出することができるなど様々な応用につながると期待される。

論文

Spin-transfer torques in antiferromagnetic textures; Efficiency and quantification method

山根 結太*; 家田 淳一; Sinova, J.*

Physical Review B, 94(5), p.054409_1 - 054409_8, 2016/08

AA2016-0164.pdf:0.5MB

 被引用回数:10 パーセンタイル:26.43(Materials Science, Multidisciplinary)

反強磁性体におけるスピントランスファートルクの理論を定式化し、交換相互作用エネルギーが磁気副格子間の電子ダイナミクスの運動エネルギーに対して大きい場合と小さい場合の両者を取り扱う。本理論により、反強磁性体におけるスピントランスファートルクの効率が明確に定義された物質パラメータを用いて自然に導入される。この結果、電流は交換相互作用が相対的に大きな場合は反強磁性秩序関数と、逆に小さな場合は副格子傾斜磁化と、それぞれより強く結合することが判明した。またこの効果は、電流存在下での反強磁性スピン波分散関係の解析により定量化できる。特に、交換相互作用が相対的に大きな極限では、スピン波のドップラー効果が常に生じるのに対し、その逆の極限では副格子傾斜磁化が顕著となるようなモードにおいてのみ電流に対する応答が生じる。これらの知見は、入れ子構造や層状構造など様々な副格子構造をもつ反強磁性体におけるスピントランスファートルクの理解と設計に対する枠組みを与える。

論文

Electric voltage generation by antiferromagnetic dynamics

山根 結太*; 家田 淳一; Sinova, J.*

Physical Review B, 93(18), p.180408_1 - 180408_5, 2016/05

 被引用回数:10 パーセンタイル:26.43(Materials Science, Multidisciplinary)

We theoretically demonstrate dc and ac electric voltage generation due spinmotive forces originating from domain wall motion and magnetic resonance, respectively, in two-sublattice antiferromagnets. Our theory accounts for the canting between the sublattice magnetizations, the nonadiabatic electron spin dynamics, and the Rashba spin-orbit coupling. We predict that the spinmotive force can of the order of millivolt, several orders larger than their ferromagnetic counterparts. This work suggests a new way to observe and explore the dynamics of antiferromagnetic textures by electrical means.

論文

Spin hydrodynamic generation

高橋 遼*; 松尾 衛; 小野 正雄; 針井 一哉; 中堂 博之; 岡安 悟; 家田 淳一; 高橋 三郎*; 前川 禎通; 齊藤 英治

Nature Physics, 12, p.52 - 56, 2016/01

 被引用回数:24 パーセンタイル:7.6(Physics, Multidisciplinary)

Magnetohydrodynamic generation is the conversion of fluid kinetic energy into electricity. Such conversion, which has been applied to various types of electric power generation, is driven by the Lorentz force acting on charged particles and thus a magnetic field is necessary. On the other hand, recent studies of spintronics have revealed the similarity between the function of a magnetic field and that of spin-orbit interactions in condensed matter. This suggests the existence of an undiscovered route to realize the conversion of fluid dynamics into electricity without using magnetic fields. Here we show electric voltage generation from fluid dynamics free from magnetic fields; we excited liquid-metal flows in a narrow channel and observed longitudinal voltage generation in the liquid. This voltage has nothing to do with electrification or thermoelectric effects, but turned out to follow a universal scaling rule based on a spin-mediated scenario. The result shows that the observed voltage is caused by spin-current generation from a fluid motion: spin hydrodynamic generation. The observed phenomenon allows us to make mechanical spin-current and electric generators, opening a door to fluid spintronics.

論文

Barnett effect in paramagnetic states

小野 正雄; 中堂 博之; 針井 一哉; 岡安 悟; 松尾 衛; 家田 淳一; 高橋 遼*; 前川 禎通; 齊藤 英治

Physical Review B, 92(17), p.174424_1 - 174424_4, 2015/11

 被引用回数:10 パーセンタイル:39.39(Materials Science, Multidisciplinary)

We report the observation of the Barnett effect in paramagnetic states by mechanically rotating gadolinium (Gd) metal with a rotational frequency of up to 1.5 kHz above the Curie temperature. An in situ magnetic measurement setup comprising a high-speed rotational system and a fluxgate magnetic sensor was developed for the measurement. Temperature dependence of the observed magnetization follows that of paramagnetic susceptibility, indicating that any emergent magnetic field is proportional to the rotational frequency and is independent of temperature. From the proportionality constant of the emergent field, the gyromagnetic ratio of Gd is calculated to be -29 $$pm$$ 5 GHz/T. This study revisits the primordial issue of magnetism with modern technologies to shed new light on the fundamental spin-rotation coupling.

論文

Spin pumping blocked by single-layer graphene

白 怜士*; 田代 隆治*; 中山 裕康*; 家田 淳一; 圓谷 志郎; 境 誠司; 安藤 和也*

Applied Physics Express, 8(7), p.073009_1 - 073009_3, 2015/07

 被引用回数:2 パーセンタイル:91.02(Physics, Applied)

Ni$$_{81}$$Fe$$_{19}$$/Pt二重層の境界面に、単層グラフェン(SLG)を挿入するとスピンポンピングが強力に抑制されることを見いだした。Ni$$_{81}$$Fe$$_{19}$$/Pt二重層におけるスピンポンピングは、強磁性層の磁化緩和を促進させる。このことは、強磁性共鳴線幅のマイクロ波周波数依存性により定量的に評価される。我々は、このスピンポンピングによる磁化緩和の促進が、Ni$$_{81}$$Fe$$_{19}$$/SLG/Pt三重層において消失することを示す。本成果は、単一原子層によってスピンポンピングが遮断されることを示しており、金属系のスピンポンピングにおける界面短距離スピン交換結合の重要性を明らかにするものである。

論文

Mechanical generation of spin current

松尾 衛; 家田 淳一; 前川 禎通

Frontiers in Physics (Internet), 3, p.54_1 - 54_10, 2015/07

 被引用回数:2

We focus the recent results on spin-current generation from mechanical motion such as rigid rotation and elastic deformations. Spin transport theory in accelerating frames is constructed by using the low energy expansion of the generally covariant Dirac equation. Related issues on spin-manipulation by mechanical rotation are also discussed.

論文

Thermal stability of a magnetic domain wall in nanowires

深見 俊輔*; 家田 淳一; 大野 英男*

Physical Review B, 91(23), p.235401_1 - 235401_7, 2015/06

 被引用回数:8 パーセンタイル:43.38(Materials Science, Multidisciplinary)

コバルト・ニッケル多層膜によって形成されたナノ細線における磁壁の熱安定性を調査し、その熱安定性を支配する有効体積の解析を行う。ある臨界細線幅以上では磁壁のピン留め脱出が部分体積の励起によって開始されること、またその臨界幅は細線厚みに依存することを見出した。これらの観測結果は、磁壁ピン留め脱出の臨界電流値の分布とも整合しており、ゼーマンエネルギーと弾性エネルギーのバランスを考慮することで定性的に記述できる。

論文

Line splitting by mechanical rotation in nuclear magnetic resonance

針井 一哉; 中堂 博之; 小野 正雄; 松尾 衛; 家田 淳一; 岡安 悟; 前川 禎通; 齊藤 英治

Japanese Journal of Applied Physics, 54(5), p.050302_1 - 050302_3, 2015/05

 被引用回数:5 パーセンタイル:59.57(Physics, Applied)

Nuclear magnetic resonance (NMR) measurements for a nuclear spin 1/2 system in an external magnet field and mechanical rotation in kHz range are reported. NMR signals are measured by the synchronous rotation of a sample and a detector coil under the condition that the rotation axis is perpendicular to the external field. NMR line splits into two despite the system having a single Zeeman level separation. We analytically show that the splitting originates in the nuclear spin motion under mechanical rotation, and is determined by only the angular velocity of the rotation without any material parameters.

論文

Rotational Doppler effect and Barnett field in spinning NMR

中堂 博之; 針井 一哉; 松尾 衛; 家田 淳一; 小野 正雄; 前川 禎通; 齊藤 英治

Journal of the Physical Society of Japan, 84(4), p.043601_1 - 043601_4, 2015/04

 被引用回数:9 パーセンタイル:27.84(Physics, Multidisciplinary)

We report the observation of the rotational Doppler effect using nuclear magnetic resonance (NMR). We have developed a coil-spinning technique that enables measurements by rotating a detector and fixing a sample. We found that the rotational Doppler effect gives rise to NMR frequency shifts equal to the rotation frequency. We formulate the rotational Doppler effect and the Barnett field using a vector model for the nuclear magnetic moment. This formulation reveals that, with just the sample rotating, both effects cancel each other, thereby explaining the absence of an NMR frequency shift in conventional sample-spinning NMR measurements.

論文

スピンがみる時空のゆがみ; スピントロニクスの新展開

松尾 衛; 家田 淳一; 前川 禎通

固体物理, 49(11), p.611 - 625, 2014/11

従来のスピン流生成には、磁性体の磁気ダイナミクスに伴う磁気的角運動量、電磁場の角運動量、電子の軌道運動の角運動量と、電子スピン角運動量との相互変換が用いられてきた。ところが、われわれにとって最も身近であるはずの回転運動に伴う力学的角運動量はスピン流生成に使われていなかった。力学的角運動量とスピン角運動量との相互変換が実現できれば、将来的にはスピン角運動量を直接力学回転に変換するナノモーターのような新デバイス開発への道も拓ける。本稿では、スピントロニクスに動力を組み込む試みとして、力学運動を用いたスピン流生成機構を紹介する。

論文

Spinmotive force due to motion of magnetic bubble arrays driven by magnetic field gradient

山根 結太*; Hemmatiyan, S.*; 家田 淳一; 前川 禎通; Sinova, J.*

Scientific Reports (Internet), 4, p.6901_1 - 6901_5, 2014/11

 被引用回数:4 パーセンタイル:70.46(Multidisciplinary Sciences)

局在磁化と電動電子の相互作用は、磁性材料における多彩な現象の源となっている。最近、磁化の時間的・空間的変化がスピン流とそれに伴う電圧を生成することが示された。この、スピン起電力と名付けられた効果は、次期構造の運動とその性質を探索する上で強力な方法であると同時に、起電力生成の新機構を与えるものである。本論文では、磁場勾配のもとにおかれた磁気バブル配列の系が電圧を生成することを理論的に明らかにする。発生する電圧の理論式を導出することで、電流駆動磁化ダイナミクスにおける非断熱性を記述する現象論的パラメータ$$beta$$の値を直接測定する手段を与える。このスピン起電力によって、磁場勾配を利用した新しいタイプのスピントロニクス素子開発への扉が開かれる。

論文

Theory of mechanical spin current generation via spin-rotation coupling

家田 淳一; 松尾 衛; 前川 禎通

Solid State Communications, 198, p.52 - 56, 2014/11

 被引用回数:7 パーセンタイル:53.48(Physics, Condensed Matter)

The spin rotation coupling (SRC) is responsible for angular momentum conversion between the electron spin and rotational deformations of elastic media, whereby spin current generation from mechanical motions is theoretically predicted. Here a surface acoustic wave (SAW) is considered as an example of such elastic deformations. We formulate the spin diffusion equation that is extended to include the influence of the SRC, and from the solution we find that larger spin currents can be obtained in materials with longer spin lifetimes. This distinct feature arises from the fact that the present method is of "purely" mechanical origin, i.e., it relies on neither equilibrium magnetization nor spin-orbit coupling, offering a new route to building the so-called "rare-metal-free" spintronics devices.

論文

Theory of mechanical spin current generation via spin-orbit coupling

松尾 衛; 家田 淳一; 前川 禎通

Solid State Communications, 198, p.57 - 60, 2014/11

 被引用回数:3 パーセンタイル:76.71(Physics, Condensed Matter)

We theoretically investigate mechanical spin current generation via spin-orbit coupling on the basis of the generally covariant Dirac equation. In accelerating systems, the spin-orbit coupling is modified by inertial effects. Due to the augmented coupling, spin current is generated from rigid rotation and vibration. Renormalization of the inertial effects due to the interband mixing is also discussed by using the k-p perturbation.

論文

Observation of Barnett fields in solids by nuclear magnetic resonance

中堂 博之; 小野 正雄; 針井 一哉; 松尾 衛; 家田 淳一; 春木 理恵*; 岡安 悟; 前川 禎通; 安岡 弘志; 齊藤 英治

Applied Physics Express, 7(6), p.063004_1 - 063004_4, 2014/06

 被引用回数:21 パーセンタイル:21.08(Physics, Applied)

電気的に中性な物体であっても、回転する物体中の粒子には磁場が生じることが予言されている。この磁場をバーネット磁場という。我々は核磁気共鳴法が固体中に生じたバーネット磁場を測定できることを示す。我々は試料とNMR検出コイルを同じ早さで回転させると核磁気モーメントの符号を反映したNMRシフトが生じることを見いだした。この結果はバーネット磁場の直接的証拠である。NMRを用いたバーネット磁場の測定は未知の核磁気モーメントの符号を決定できる。

論文

Thermal engineering of non-local resistance in lateral spin valves

葛西 伸哉*; 平山 悠介*; 高橋 有紀子*; 三谷 誠司*; 宝野 和博*; 安立 裕人; 家田 淳一; 前川 禎通

Applied Physics Letters, 104(16), p.162410_1 - 162410_4, 2014/04

 被引用回数:3 パーセンタイル:77.63(Physics, Applied)

We study the non-local spin transport in Permalloy/Cu lateral spin valves (LSVs) fabricated on thermally oxidized Si and MgO substrates. While these LSVs show the same magnitude of spin signals, significant substrate dependence of the baseline resistance was observed. The baseline resistance shows much weaker dependence on the inter-electrode distance than that of the spin transport observed in the Cu wires. A simple analysis of voltage-current characteristics in the baseline resistance indicates the observed result can be explained by a combination of the Peltier and Seebeck effects at the injector and detector junctions, suggesting the usage of high thermal conductivity substrate (or under-layer) is effective to reduce the baseline resistance.

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