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論文

Enhancement of domain-wall mobility detected by NMR at the angular momentum compensation temperature

今井 正樹; 中堂 博之; 松尾 衛; 前川 禎通; 齊藤 英治

Physical Review B, 102(1), p.014407_1 - 014407_5, 2020/07

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Materials Science, Multidisciplinary)

The angular momentum compensation temperature $$T_{rm A}$$ of ferrimagnets has attracted much attention because of high-speed magnetic dynamics near $$T_{rm A}$$. We show that NMR can be used to investigate domain wall dynamics near $$T_{rm A}$$ in ferrimagnets. We performed $$^{57}$$Fe-NMR measurements on the ferrimagnet Ho$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$ with $$T_{rm A}$$ = 245 K. In a multi-domain state, the NMR signal is enhanced by domain wall motion. We found that the NMR signal enhancement shows a maximum at $$T_{rm A}$$ in the multi-domain state. The NMR signal enhancement occurs due to increasing domain-wall mobility toward $$T_{rm A}$$. We develop the NMR signal enhancement model involves domain-wall mobility. Our study shows that NMR in multi-domain state is a powerful tool to determine $$T_{rm A}$$, even from a powder sample and it expands the possibility of searching for angular momentum-compensated materials.

論文

Giant spin hydrodynamic generation in laminar flow

高橋 遼*; 中堂 博之; 松尾 衛; 針井 一哉*; 大沼 悠一*; 前川 禎通; 齊藤 英治

Nature Communications (Internet), 11, p.3009_1 - 3009_6, 2020/06

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Multidisciplinary Sciences)

Hydrodynamic motion can generate a flux of electron-spin's angular momentum via the coupling between fluid rotation and electron spins. Such hydrodynamic generation, called spin hydrodynamic generation (SHDG), has recently attracted attention in a wide range of fields, especially in spintronics. Spintronics deals with spin-mediated interconversion taking place on a micro or nano scale because of the spin-diffusion length scale. To be fully incorporated into the interconversion, SHDG physics should also be established in such a minute scale, where most fluids exhibit a laminar flow. Here, we report electric voltage generation due to the SHDG in a laminar flow of a liquid-metal mercury. The experimental results show a scaling rule unique to the laminar-flow SHDG. Furthermore, its energy con- version efficiency turns out to be about 105 greater than of the turbulent one. Our findings reveal that the laminar-flow SHDG is suitable to downsizing and to extend the coverage of fluid spintronics.

論文

Universal $$frac{1}{3}$$-suppression of magnonic shot noise in diffusive insulating magnets

仲田 光樹; 大沼 悠一*; 松尾 衛*

Physical Review B, 100(1), p.014406_1 - 014406_8, 2019/07

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Materials Science, Multidisciplinary)

強磁性絶縁体接合系と比較し、不純物散乱をうける磁性絶縁体バルク中のマグノン流ノイズは$$frac{1}{3}$$に抑制されることを明らかにした。

論文

Spin Seebeck mechanical force

針井 一哉; Seo, Y.-J.*; 堤 康雅*; 中堂 博之; 大柳 洸一*; 松尾 衛; 塩見 雄毅*; 小野 崇人*; 前川 禎通; 齊藤 英治

Nature Communications (Internet), 10(1), p.2616_1 - 2616_5, 2019/06

 被引用回数:8 パーセンタイル:11.64(Multidisciplinary Sciences)

Electric current has been used to send electricity to far distant places. On the other hand, spin current, a flow of electron spin, can in principle also send angular momentum to distant places. In a magnet, there is a universal spin carrier called a spin wave, a wave-type excitation of magnetization. Since spin waves exhibit a long propagation length, it should be able to send angular momentum that can generate torque and force at a distant place: a new function of magnets. Here we observe mechanical angular momentum transmission and force generation due to spin waves injected into Y$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$ by the spin-Seebeck effect. The spin-wave current, transmitted through a Y$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$ micro cantilever, was found to create a mechanical force on the cantilever as a non-local reaction of the spin-Seebeck effect. Spin-wave current can be generated remotely even in open circuits, and it can be used to drive micro mechanical devices.

論文

Angular momentum compensation manipulation to room temperature of the ferrimagnet Ho$$_{3-x}$$Dy$$_{x}$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$ detected by the Barnett effect

今井 正樹; 中堂 博之; 小野 正雄; 針井 一哉; 松尾 衛; 大沼 悠一*; 前川 禎通; 齊藤 英治

Applied Physics Letters, 114(16), p.162402_1 - 162402_4, 2019/04

 被引用回数:6 パーセンタイル:17.09(Physics, Applied)

We demonstrate that the angular momentum compensation temperature $$T_{rm A}$$, at which the net angular momentum in the sample disappears, can be controlled in Ho$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$ by partially substituting Dy for Ho. The $$T_{rm A}$$ can be detected using the Barnett effect, by which mechanical rotation magnetizes an object due to spin-rotation coupling. We found that $$T_{rm A}$$ increases with the Dy content and clarified that the $$T_{rm A}$$ of Ho$$_{1.5}$$Dy$$_{1.5}$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$ coincides with room temperature. The Barnett effect enables us to explore materials applicable to magnetic devices utilizing the angular momentum compensation only by rotating the powder sample at room temperature.

論文

Asymmetric quantum shot noise in magnon transport

仲田 光樹; 大沼 悠一*; 松尾 衛*

Physical Review B, 99(13), p.134403_1 - 134403_7, 2019/04

 被引用回数:2 パーセンタイル:71.33(Materials Science, Multidisciplinary)

マグノン流に内在する量子力学的性質「量子ゆらぎ物性」をスピン流雑音の観点から理論的に研究し、マグノン流の非可換性由来の非対称マグノン流量子雑音を解明した。

論文

Magnonic noise and Wiedemann-Franz law

仲田 光樹; 大沼 悠一*; 松尾 衛*

Physical Review B, 98(9), p.094430_1 - 094430_8, 2018/09

 被引用回数:7 パーセンタイル:33.3(Materials Science, Multidisciplinary)

強磁性絶縁体中のマグノンがもたらすスピン流/熱流に着目し、物質によらない「ゆらぎの普遍的熱磁気関係式」を紹介する。マグノン輸送に内在する量子統計力学的効果「ゆらぎ」を、マグノン流ノイズ(雑音)の視点から従来のマグノンWiedemann-Franz則に取り込み、「熱-磁気-ゆらぎ」三者を紡ぐ「ゆらぎのマグノンWiedemann-Franz則」を提示する。さらに、熱ノイズ(平衡ノイズ)と比較して非平衡ノイズが支配的となるマグノンショットノイズ領域に着目し、線形応答領域のみならず非線形応答領域においても成立するスピンFano因子の普遍的なふるまいを紹介する。

論文

Observation of gyromagnetic reversal

今井 正樹; 緒方 裕大*; 中堂 博之; 小野 正雄; 針井 一哉; 松尾 衛*; 大沼 悠一*; 前川 禎通; 齊藤 英治

Applied Physics Letters, 113(5), p.052402_1 - 052402_3, 2018/07

 被引用回数:7 パーセンタイル:33.3(Physics, Applied)

We report direct observation of gyromagnetic reversal, which is the sign change of gyromagnetic ratio in a ferrimagnet Ho$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$, by using the Barnett effect measurement technique at low temperatures. The Barnett effect is a phenomenon in which magnetization is induced by mechanical rotation through the coupling between rotation and total angular momentum $$J$$ of electrons. The magnetization of Ho$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$ induced by mechanical rotation disappears at 135 K and 240 K. The temperatures correspond to the magnetization compensation temperature $$T_{rm M}$$ and the angular momentum compensation temperature $$T_{rm A}$$, respectively. Between $$T_{rm M}$$ and $$T_{rm A}$$, the magnetization flips over to be parallel against the angular momentum due to the sign change of gyromagnetic ratio. This study provides an unprecedented technique to explore the gyromagnetic properties.

論文

Dirac surface state-modulated spin dynamics in a ferrimagnetic insulator at room temperature

Tang, C.*; Song, Q.*; Chang, C.-Z.*; Xu, Y.*; 大沼 悠一; 松尾 衛*; Liu, Y.*; Yuan, W.*; Yao, Y.*; Moodera, J. S.*; et al.

Science Advances (Internet), 4(6), p.eaas8660_1 - eaas8660_6, 2018/06

 被引用回数:6 パーセンタイル:28.4(Multidisciplinary Sciences)

This work demonstrates markedly modified spin dynamics of magnetic insulator (MI) by the spin momentum-locked Dirac surface states of the adjacent topological insulator (TI). As the Bi concentration $$x$$ is systematically tuned in 5-nm-thick (Bi$$_{x}$$Sb$$_{1-x}$$)$$_{2}$$Te$$_{3}$$ TI films, the weight of the surface relative to bulk states peaks at $$x$$ = 0.32 when the chemical potential approaches the Dirac point. At this concentration, the Gilbert damping constant of the precessing magnetization in 10-nm-thick Y$$_{3}$$Fe$$_{5}$$O$$_{12}$$ MI films in the MI/TI heterostructures is enhanced by an order of magnitude, the largest among all concentrations. In addition, the MI acquires additional strong magnetic anisotropy that favors the in-plane orientation with similar Bi concentration dependence. These extraordinary effects of the Dirac surface states distinguish TI from other materials such as heavy metals in modulating spin dynamics of the neighboring magnetic layer.

論文

Spin current noise of the spin Seebeck effect and spin pumping

松尾 衛*; 大沼 悠一; 加藤 岳生*; 前川 禎通

Physical Review Letters, 120(3), p.037201_1 - 037201_5, 2018/01

 被引用回数:15 パーセンタイル:10.36(Physics, Multidisciplinary)

常磁性金属と強磁性体の二層系におけるスピンゼーベック効果及びスピンポンピングによって生成された純スピン流の揺らぎを理論的に調べた。スピンの保存と非保存の過程を考慮した強磁性体/金属の単純な界面のモデルから出発し、強磁性体/金属の結合強度について2次の摂動の範囲で、界面におけるスピン流とスピン流ノイズの一般的な式を導出した。また、イットリウム鉄ガーネットと白金の二層系を想定し、スピン流とスピン流ノイズを見積もった。その結果、界面におけるスピン非保存過程によって変調された、マグノンが運ぶ有効スピンを、スピン流ノイズを用いて決定できることを示した。加えて、スピン流ノイズによって、マグノンの有効スピン、スピンポンピングにおいて発生する界面での発熱量、常磁性金属のスピンホール角に関する情報が得られることを示した。

論文

Enhanced orbital magnetic moment in FeCo nanogranules observed by Barnett effect

緒方 裕大; 中堂 博之; Gu, B.; 小林 伸聖*; 小野 正雄; 針井 一哉; 松尾 衛; 齊藤 英治; 前川 禎通

Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 442, p.329 - 331, 2017/11

 被引用回数:4 パーセンタイル:52.83(Materials Science, Multidisciplinary)

The gyroscopic g factor, $$g'$$, of FeCo nanogranules embedded in a matrix of MgF$$_2$$ (FeCo-MgF$$_2$$) was determined by measuring the magnetic-field generation from a rotating sample due to the Barnett effect. The $$g'$$ value of the FeCo-MgF$$_2$$ is estimated to be 1.76 $$pm$$ 0.11. The orbital contribution to the magnetic moment in the FeCo nanogranules was found to be quite large compared with that in bulk FeCo, being consistent with a density-functional-theory calculation that shows that the orbital magnetic moment may increase at the FeCo/MgF$$_2$$ interfaces. The result suggests that the orbital magnetic moment is enhanced by symmetry breaking at the surface of the FeCo nanogranules.

論文

熱スピン相互変換

大沼 悠一; 松尾 衛*; 前川 禎通; 齊藤 英治

まぐね, 12(5), p.217 - 224, 2017/10

熱とスピンの相互変換現象であるスピンゼーベック効果及びスピンペルチェ効果について微視的理論に基づき議論を行う。まずはじめに、熱流からスピン流を生成するスピンゼーベック効果について議論する。スピンゼーベック効果の最近の進展を紹介し、フェリ磁性体でのスピンゼーベック効果の符号反転について説明する。次に、スピン流による熱流生成法であるスピンペルチェ効果について議論する。最後に、スピンゼーベック効果とスピンペルチェ効果がオンサーガの相反関係によってまとめられることを示し、スピンと熱の輸送に関するケルビンの関係式を導出する。

論文

Theory of the spin Peltier effect

大沼 悠一; 松尾 衛*; 前川 禎通

Physical Review B, 96(13), p.134412_1 - 134412_4, 2017/10

 被引用回数:20 パーセンタイル:14.48(Materials Science, Multidisciplinary)

常磁性金属と強磁性絶縁体の接合系におけるスピンペルチェ効果の微視的理論を非平衡グリーン関数法に基いて構築した。温度勾配とスピン蓄積によって生成されるスピン流と熱流を、常磁性金属と強磁性絶縁体のスピン帯磁率を用いて定式化した。また、スピン流と熱流がオンサーガーの相反関係を満たすことを確認した。このように導いたスピン流と熱流の式を用いて、常磁性金属から強磁性絶縁体へのスピンを介した熱流注入に伴う、接合界面における発熱量と吸熱量を見積もった。

論文

Spin current generation using a surface acoustic wave generated via spin-rotation coupling

小林 大眞*; 吉川 智英*; 松尾 衛*; 井口 亮*; 前川 禎通; 齊藤 英治; 能崎 幸雄*

Physical Review Letters, 119(7), p.077202_1 - 077202_5, 2017/08

 被引用回数:30 パーセンタイル:6.8(Physics, Multidisciplinary)

We demonstrate the generation of alternating spin current (SC) via spin-rotation coupling (SRC) using a surface acoustic wave (SAW) in a Cu film. Ferromagnetic resonance caused by injecting SAWs was observed in a Ni-Fe film attached to a Cu film, with the resonance further found to be suppressed through the insertion of a SiO$$_{2}$$ film into the interface. The intensity of the resonance depended on the angle between the wave vector of the SAW and the magnetization of the Ni-Fe film. This angular dependence is explicable in terms of the presence of spin transfer torque from a SC generated via SRC.

論文

Theory of spin hydrodynamic generation

松尾 衛*; 大沼 悠一; 前川 禎通

Physical Review B, 96(2), p.020401_1 - 020401_5, 2017/07

 被引用回数:11 パーセンタイル:32.09(Materials Science, Multidisciplinary)

流体運動によるスピン流生成現象を理論的に調べた。量子運動論的理論に基いて流体の渦度と結合するスピン拡散方程式を導き、層流及び乱流の渦度勾配からスピン流が生成されることを示した。また、生成されたスピン流は逆スピンホール電圧の測定から検出されることと、層流及び乱流における電圧が、それぞれ流速及び流速の二乗に比例するという理論予測を示した。本研究は、流体スピントロニクスという分野を切り拓くと期待される。

論文

Gyroscopic $$g$$ factor of rare earth metals

緒方 裕大; 中堂 博之; 小野 正雄; 針井 一哉; 松尾 衛; 前川 禎通; 齊藤 英治

Applied Physics Letters, 110(7), p.072409_1 - 072409_4, 2017/02

 被引用回数:9 パーセンタイル:35.46(Physics, Applied)

We develop the $$in$$ $$situ$$ magnetization measurement apparatus for observing the Barnett effect consisting of a fluxgate sensor, high speed rotor with frequencies of up to 1.5 kHz, and magnetic shield at room temperature. The effective magnetic field (Barnett field) in a sample arising from rotation magnetizes the sample and is proportional to the rotational frequency. The gyroscopic $$g$$ factor, $$g'$$, of rare earth metals, in particular, Gd, Tb and Dy were estimated to be 2.00$$pm$$0.08, 1.53$$pm$$0.17, and 1.15$$pm$$0.32, respectively, from the slopes of the rotation dependence of the Barnett field. This study provides a technique to determine the $$g'$$ factor even in samples where the spectroscopic method may not be available.

論文

Spin-mechatronics

松尾 衛; 齊藤 英治; 前川 禎通

Journal of the Physical Society of Japan, 86(1), p.011011_1 - 011011_7, 2017/01

 被引用回数:9 パーセンタイル:32.06(Physics, Multidisciplinary)

物体の機械運動に伴う力学的角運動量を用いたスピン制御およびスピン流生成の理論とその実証実験に関する我々の最新の研究成果をまとめた解説論文(Invited review paper)である。

論文

液体金属流体におけるスピン流発電

松尾 衛

応用物理, 86(1), p.31 - 35, 2017/01

スピントロニクスにおける最重要課題の一つがスピンの流れ「スピン流」の生成制御である。近年の微細加工技術の進展によってスピン流を媒介とする多様な物性現象を探索されている。本稿ではスピン流を媒介して液体金属流体運動から電圧を発生する「スピン流体発電」を紹介する。回転体中に普遍的に現れる相互作用、スピン回転結合により、物体の力学的角運動量とスピンとが相互変換される。その結果、細管に流した液体金属中の渦度分布からスピン流が生成され、管に沿った方向に電圧が生じる。これはスピントロニクスに動力を組み込む試みであり、MEMSとスピン流の融合したデバイス開発が期待される。

論文

Spin transport in half-metallic ferromagnets

大沼 悠一; 松尾 衛; 前川 禎通

Physical Review B, 94(18), p.184405_1 - 184405_5, 2016/11

 被引用回数:9 パーセンタイル:46.15(Materials Science, Multidisciplinary)

本論文では、有限温度におけるハーフメタル強磁性体のスピン伝導を理論的に調べた。サイドジャンプ機構とスキュー散乱機構から得られるスピンホール伝導度を、久保公式を用いて導出した。その結果、電子マグノン相互作用によって、マイノリティ電子スピンのバンドギャップ中に有限の状態密度が現れ、これによってスピンホール伝導度が得られることを示した。また、スピンホール伝導度が温度の$${3/2}$$乗に比例するため温度変化に敏感であること、それによってスピンホール伝導度がハーフメタル強磁性体のマイノリティスピン状態を調べる手法になりうることを提案した。

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:41 パーセンタイル:6.49(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.

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