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論文

Non-reciprocal pumping of surface acoustic waves by spin wave resonance

山本 慧; Yu, W.*; Yu, T.*; Puebla, J.*; Xu, M.*; 前川 禎通*; Bauer, G.*

Journal of the Physical Society of Japan, 89(11), p.113702_1 - 113702_5, 2020/11

We predict that surface acoustic waves are generated preferentially in one direction in a heterostructure of a thin magnetic film on a non-magnetic substrate. The non-reciprocity arises from magneto-elastic coupling and magneto-rotation coupling, the former being dominant for YIG/GGG heterostructures. For YIG films thinner than about 100 nm, the surface acoustic wave amplitude is nearly unidirectional at certain angles of the in-plane equilibrium magnetisation. We compute the full magnetic field dependence of the effect for a selected device.

論文

Nonreciprocal surface acoustic wave propagation via magneto-rotation coupling

Xu, M.*; 山本 慧; Puebla, J.*; Baumgaertl, K.*; Rana, B.*; 三浦 勝哉*; 高橋 宏昌*; Grundler, D.*; 前川 禎通*; 大谷 義近*

Science Advances (Internet), 6(32), p.eabb1724_1 - eabb1724_4, 2020/08

 被引用回数:0

One of the most fundamental forms of magnon-phonon-interaction is an intrinsic property of magnetic materials, the "magnetoelastic coupling." This particular form of interaction has been the basis for describing magnetic materials and their strain related applications, where strain induces changes of internal magnetic fields. Different from the magnetoelastic coupling, more than 40 years ago, it was proposed that surface acoustic waves may induce surface magnons via rotational motion of the lattice in anisotropic magnets. However, a signature of this magnon-phonon coupling mechanism, termed magneto-rotation coupling, has been elusive. Here, we report the first observation and theoretical framework of the magneto-rotation coupling in a perpendicular anisotropic ultra-thin lim Ta/CoFeB/MgO, which consequently induces nonreciprocal acoustic wave attenuation with an unprecedented ratio up to 100% rectification at a theoretically predicted optimized condition. Our work not only experimentally demonstrates a fundamentally new path for investigating magnon-phonon coupling, but also justifies the feasibility of the magneto-rotation coupling based application.

論文

Acoustic ferromagnetic resonance and spin pumping induced by surface acoustic waves

Puebla, J.*; Xu, M.*; Rana, B.*; 山本 慧; 前川 禎通*; 大谷 義近*

Journal of Physics D; Applied Physics, 53(26), p.264002_1 - 264002_7, 2020/06

 被引用回数:3 パーセンタイル:4.75(Physics, Applied)

Voltage induced magnetization dynamics of magnetic thin films is a valuable tool to study anisotropic fields, exchange couplings, magnetization damping and spin pumping mechanism. A particularly well established technique is the ferromagnetic resonance (FMR) generated by the coupling of microwave photons and magneti- zation eigenmodes in the GHz range. Here we review the basic concepts of the so-called acoustic ferromagnetic resonance technique (a-FMR) induced by the coupling of surface acoustic waves (SAW) and magnetization of thin films. Interestingly, additional to the benefits of the microwave excited FMR technique, the coupling be- tween SAW and magnetization also offers fertile ground to study magnon-phonon and spin rotation couplings. We describe the in-plane magnetic field angle dependence of the a-FMR by measuring the absorption / trans- mission of SAW and the attenuation of SAW in the presence of rotational motion of the lattice, and show the consequent generation of spin current by acoustic spin pumping.

論文

Experimental realization of a passive Gigahertz frequency-division demultiplexer for magnonic logic networks

Heussner, F.*; Talmelli, G.*; Geilen, M.*; Heinz, B.*; Br$"a$cher, T.*; Meyer, T.*; Ciubotaru, F.*; Adelmann, C.*; 山本 慧; Serga, A. A.*; et al.

Physica Status Solidi; Rapid Research Letters, 14(4), p.1900695_1 - 1900695_6, 2020/04

 被引用回数:2 パーセンタイル:9.88(Materials Science, Multidisciplinary)

The emerging field of magnonics employs spin waves and their quanta, magnons, to implement wave-based computing on the micro- and nanoscales. Multi-frequency magnon networks would allow for parallel data processing within single logic elements whereas this is not the case with conventional transistor-based electric logic. However, a lack of experimental proven solutions to efficiently combine and separate magnons of different frequencies has impeded the intensive use of this concept. In this Letter, the experimental realization of a spin-wave demultiplexer enabling frequency-dependent separation of magnetic signals in the GHz range is demonstrated. The device is based on two-dimensional magnon transport in the form of spin-wave beams in unpatterned magnetic films. The intrinsic frequency-dependence of the beam direction is exploited to realize a passive functioning obviating an external control and additional power consumption. This approach paves the way to magnonic multiplexing circuits enabling simultaneous information transport and processing.

論文

磁気の波とトポロジー; 「波」を抽象的数学でひも解く

山本 慧

academist Journal (Internet), 3 Pages, 2019/09

近年の研究で波が境界に沿って伝わることができるかどうかは、トポロジーを介して境界から離れた部分を伝わる波の性質によって決まっている場合があることがわかってきた。この記事では、境界を伝わる磁気の波に関する著者の最近の研究成果を例に、トポロジーがどの様に波の記述に応用されるかを紹介する。

論文

Topological characterization of classical waves; The Topological origin of magnetostatic surface spin waves

山本 慧; Thiang, G. C.*; Pirro, P.*; Kim, K.-W.*; Everschor-Sitte, K.*; 齊藤 英治*

Physical Review Letters, 122(21), p.217201_1 - 217201_5, 2019/05

 被引用回数:3 パーセンタイル:40.09(Physics, Multidisciplinary)

We propose a topological characterization of Hamiltonians describing classical waves. Applying it to the magnetostatic surface spin waves that are important in spintronics applications, we settle the speculation over their topological origin. For a class of classical systems that includes spin waves driven by dipole-dipole interactions, we show that the topology is characterized by vortex lines in the Brillouin zone in such a way that the symplectic structure of Hamiltonian mechanics plays an essential role. We define winding numbers around these vortex lines and identify them to be the bulk topological invariants for a class of semimetals. Exploiting the bulk-edge correspondence appropriately reformulated for these classical waves, we predict that surface modes appear but not in a gap of the bulk frequency spectrum. This feature, consistent with the magnetostatic surface spin waves, indicates a broader realm of topological phases of matter beyond spectrally gapped ones.

論文

Spin caloric effects in antiferromagnets assisted by an external spin current

Gomonay, O.*; 山本 慧; Sinova, J.*

Journal of Physics D; Applied Physics, 51(26), p.264004_1 - 264004_9, 2018/07

 被引用回数:4 パーセンタイル:52.2(Physics, Applied)

反強磁性体における新奇スピン熱現象開拓のため、本稿では印可されたスピン流の存在下における熱励起されたマグノンの性質を調べる。まずスピン蓄積による熱流の生成、すなわちスピンペルチエ効果が立方晶、あるいは一軸結晶の対称性を持つ反強磁性体で生じることを予言する。この効果はマグノン緩和時間がスピン流によってマグノンのスピン分極方向に対する依存性を獲得することに由来する。このペルチエ効果は反強磁性磁壁の運動を駆動し、その駆動力は物質の温度が上昇するにつれて大きくなる。またスピン流がマグノンスピンゼーベック効果を誘起することも示す。

論文

Spin transfer torques and spin-dependent transport in a metallic F/AF/N tunneling junction

山本 慧; Gomonay, O.*; Sinova, J.*; Schwiete, G.*

Physical Review B, 98(1), p.014406_1 - 014406_24, 2018/07

 被引用回数:1 パーセンタイル:86.6(Materials Science, Multidisciplinary)

We study spin-dependent electron transport through a ferromagnetic-antiferromagnetic-normal metal tunneling junction, in the absence of spin-orbit coupling. We derive microscopic formulas for various types of spin torque acting on the antiferromagnet as well as for charge and spin currents flowing through the junction. The obtained results are applicable in the limit of slow magnetization dynamics. We identify a parameter regime in which an unconventional damping-like torque can become comparable in magnitude to the conventional Slonczewski's torque familiar from ferromagnets. Moreover, we show that the antiferromagnetic sublattice structure opens up a channel of electron transport which does not have a ferromagnetic analog and that this mechanism leads to a pronounced field-like torque. Both charge conductance and spin current transmission through the junction depend on the relative orientation of the ferromagnetic and the antiferromagnetic order parameters.

論文

Spin colossal magnetoresistance in an antiferromagnetic insulator

Qiu, Z.*; Hou, D.*; Barker, J.*; 山本 慧; Gomonay, O.*; 齊藤 英治*

Nature Materials, 17(7), p.577 - 580, 2018/05

 被引用回数:48 パーセンタイル:2.58(Chemistry, Physical)

巨大磁気抵抗とは導体絶縁体相転移の近傍で磁場により電気抵抗が大幅に変化する現象を指す。これは磁気構造と電気伝導の強い相関に由来し、数十年にわたって盛んに研究されてきた。本稿では、反強磁性絶縁体であるCr$$_{2}$$O$$_{3}$$が室温においてスピン流についての明確な導体不導体を起こすことを報告する。スピン流透過率はネール温度近傍の14度の間で2桁変化する。このスピン流についての導体不導体転移は磁場によって制御可能であり、定温で最大500%透過率が変化し事実上のスピン流透過不透過切り替えのスイッチとなる。

論文

Tunable sign change of spin hall magnetoresistance in Pt/NiO/YIG structures

Hou, D.*; Qiu, Z.*; Barker, J.*; 佐藤 浩司*; 山本 慧; V$'e$lez, S.*; Gomez-Perez, J. M.*; Hueso, L. E.*; Casanova, F.*; 齊藤 英治

Physical Review Letters, 118(14), p.147202_1 - 147202_6, 2017/04

 被引用回数:67 パーセンタイル:1.63(Physics, Multidisciplinary)

Spin Hall magnetoresistance (SMR) has been investigated in Pt/NiO/YIG structures in a wide range of temperature and NiO thickness. The SMR shows a negative sign below a temperature that increases with the NiO thickness. This is contrary to a conventional SMR theory picture applied to the Pt/YIG bilayer, which always predicts a positive SMR. The negative SMR is found to persist even when NiO blocks the spin transmission between Pt and YIG, indicating it is governed by the spin current response of the NiO layer. We explain the negative SMR by the NiO "spin flop" coupled with YIG, which can be overridden at higher temperature by positive SMR contribution from YIG. This highlights the role of magnetic structure in antiferromagnets for transport of pure spin current in multilayers.

論文

KEKにおけるERL放射光源用500kV電子銃の開発計画

山本 将博*; 本田 洋介*; 宮島 司*; 内山 隆司*; 小林 正則*; 武藤 俊哉*; 松葉 俊哉*; 坂中 章悟*; 佐藤 康太郎*; 斉藤 義男*; et al.

Proceedings of 6th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (CD-ROM), p.860 - 862, 2009/08

ERL実証機となるコンパクトERL(cERL)の建設準備がKEK東カウンターホールにて進められている。cERL早期運転実現のため、開発要素の多い電子銃部については実機開発の他、バックアップ及びR&D機として原子力機構及び高エネルギー加速器研究機構それぞれにおいて同時に開発を進めることとなった。現在原子力機構で先行して立上げが行われている1号機に対し、今後高エネルギー加速器研究機構にて立上げる2号機では、1号機との互換性を持たせつつも、(1)透過型光陰極の採用,(2)光陰極複数同時活性化及びその保存機能を持つ準備システムの開発,(3)電子銃の極高真空化のための真空系及び600kV絶縁セラミック管の開発・改良に力点を置き、現在設計を進めている。

口頭

Transport properties of antiferromagnetic tunneling junctions

山本 慧; Gomonay, O.*; Sinova, J.*; Schwiete, G.*

no journal, , 

本研究では、強磁性体-反強磁性体-常磁性金属からなるトンネル接合を非平衡グリーン関数の方法を用いて調べ、種々のスピントルクおよび電荷とスピンの伝導度に対する微視的な公式を導出する。異なるタイプのトルクの間の大小関係とそのトンネル確率依存性を発表する。またこれらのトルクが磁化の運動に及ぼす影響も議論する。さらに電荷とスピンの透過率が強磁性体と反強磁性体の秩序変数の間の角に依存することを示し、その応用可能性について議論する。

口頭

Electrical conductivity of antiferromagnetic Dirac quasi-particles

山本 慧; Smejkal, L.*; Jungwirth, T.*; Sinova, J.*

no journal, , 

We study the influence of a change in Neel vector orientation on electrical conductivity in antiferromagnetic Dirac nodal-point and nodal-line semimetals. In certain PT symmetric antiferromagnetic materials, such as CuMnAs, protected anti-crossings occur when the Neel vector is oriented along a crystallographic high-symmetry axis. By an explicit computation for model tight-binding Hamiltonians, we demonstrate that the transition between gapless and gapped phases mediated by the rotation of Neel vector manifests itself in a strong orientation dependence o electrical conductivity.

口頭

Microscopic theory of non-equilibrium spin transport at metal-insulator interfaces

山本 慧; McKeever, B.*

no journal, , 

We theoretically describe non-equilibrium spin transport in metal-insulator interfaces. From the interface exchange interaction between the conduction electrons and the insulator spins, we derive semi-classical stochastic equations of motion for the spins. The non-equilibrium driving here originates from spin accumulation of the electrons at the interface. From the resulting equations of motion, microscopic contributions are identified for damping-like spin transfer torque, interfacial Gilbert damping, and noise magnetic fields. We discuss the relevant elastic and inelastic scattering processes responsible for each contribution. Within the same framework, we also derive an expression for the interface spin current. This is written only in terms of the stochastic insulator spin variables, providing a convenient basis for numerical simulations of insulator spin transport.

口頭

超音波印加下でのY$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$のスピンポンピングと中性子磁気散乱

社本 真一; 赤津 光洋*; 松浦 直人*; 家田 淳一; 安井 幸夫*; 針井 一哉; 小野 正雄; 山本 慧; 伊藤 孝; 根本 祐一*

no journal, , 

Y$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$で、音響スピンポンピングによる白金電極の電圧測定と中性子散乱の同時測定を行い、その関連を調べたので報告する。逆スピンホール効果の電圧は10K以下の低温では観測できなかったが、140Kでは最大0.5$$mu$$V程度観測された。この結果とこれまでに観測された(220)磁気ブラッグ強度の増大との関連について議論する。

口頭

ゼーマン型スピン軌道相互作用による磁気異方性

家田 淳一; 山本 慧

no journal, , 

磁性体/非磁性体界面に生じる界面スピン軌道相互作用は、磁性体層に新たな磁気異方性をもたらし、非磁性体層の選択や外部電界の印加による磁気特性の制御を可能とする。近年、原子層制御が可能なファンデアワールス(vdW)物質を異種物質に貼り合わせることで、新たな物性や機能を発現する研究が注目を集めている。これまで、光学特性や伝導特性の変調、非従来型超伝導の発現などの報告がなされているが、wdW物質との異種接合による磁性体の制御に関する研究はまだほとんど開拓されていない。そこで本研究では、ゼーマン型と呼ばれるvdW物質特有のスピン軌道相互作用が、隣接する強磁性体に導く磁気異方性を、有効模型に基づく解析により理論的に検討する。具体的な系として、2H結晶多型の遷移金属ダイカルコゲナイドと単純な一様強磁性体の接合系を想定し、そのバンド構造を再現する強束縛模型を用いて磁気異方性エネルギーの計算を行った。本講演では、磁気異方性タイプ(面直・面内)のフェルミ準位依存性、強磁性体層との交換結合定数への依存性の計算例を紹介し、vdW物質による微小磁性体制御の可能性について検討する。

口頭

Topological characterization of classical waves; The Topological origin of magnetostatic surface spin waves

山本 慧; Thiang, G. C.*; Pirro, P.*; Kim, K.-W.*; Everschor-Sitte, K.*; 齊藤 英治*

no journal, , 

Magnetostatic surface spin waves (a.k.a Damon-Eshbach mode) have long been known to have the largest decay lengths of all available modes and are robust against surface shapes and disorders. Combined with their chiral and unidirectional propagation, these features remind one of topologically protected edge states of quantum Hall systems. We present a topological characterization of the dipolar spin wave Hamiltonian, which predicts, via the bulk-edge correspondence, the presence of robust surface spin wave modes without explicitly calculating eigenmodes of a system with boundaries.

口頭

Y$$_{3}$$Fe$$_{5}$$O$$_{12}$$の物性異常と中性子磁気非弾性散乱

社本 真一; 安井 幸夫*; 松浦 直人*; 赤津 光洋*; 家田 淳一; 針井 一哉; 小野 正雄; 山本 慧; 伊藤 孝; 根本 祐一*

no journal, , 

Y$$_{3}$$Fe$$_{5}$$O$$_{12}$$の磁気容量異常の温度30K付近で、磁化率に異常を観測したとともに、中性子磁気非弾性散乱でもスピン波状態密度に異常を観測したので報告する。

口頭

スピンポンピングによる表面音波伝搬方向の制御

山本 慧; Yu, W.*; Xu, M.*; Puebla, J.*; 前川 禎通*; Bauer, G.*

no journal, , 

本研究発表では、表面音波透過率における非相反性の逆効果である、スピン波を外部マイクロ波磁場で励起することによる表面音波の一方向への選択的励起を理論的に提案する。この効果は表面音波に伴う力学的回転とスピン波歳差運動の間の通常の磁気弾性結合および磁気回転結合を介したカイラル相互作用にのみ依存しており、特別な微細加工を必要としない。磁場を印加した領域から左右に向かって広がる音波の振幅の大きさの差は磁化の方向と磁石の膜厚に依存する。磁性絶縁体Y$$_{3}$$Fe$$_{5}$$O$$_{12}$$においては50nm程度の膜厚が非相反性を最大化し、磁化と音波の伝搬方向の間の角度がおよそ15度の時、表面音波は一方向にのみ発生することを解析的計算により示す。

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