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論文

Mechanism of paramagnetic spin Seebeck effect

大柳 洸一*; 高橋 三郎*; 吉川 貴史*; 齊藤 英治

Physical Review B, 107(1), p.014423_1 - 014423_8, 2023/01

We have theoretically investigated the spin Seebeck effect (SSE) in a normal metal (NM)/paramagnetic insulator (PI) bilayer system. Through a linear response approach, we calculated the thermal spin pumping from PI to NM and backflow spin current from NM to PI, where the spin-flip scattering via the interfacial exchange coupling between conduction-electron spin in NM and localized spin in PI is taken into account. We found a finite spin current appears at the interface under the difference in the effective temperatures between spins in NM and PI, and its intensity increases by increasing the density of the localized spin S. Our model well reproduces the magnetic-field-induced reduction of the paramagnetic SSE in Pt/Gd$$_3$$Ga$$_5$$O$$_{12}$$ experimentally observed when the Zeeman energy is comparable to the thermal energy, which can be interpreted as the suppression of the interfacial spin-flip scattering. The present finding provides an insight into the mechanism of paramagnetic SSEs and the thermally induced spin-current generation in magnetic materials.

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

 被引用回数:8 パーセンタイル:73.98(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

Triplon current generation in solids

Chen, Y.*; 佐藤 正寛*; Tang, Y.*; 塩見 雄毅*; 大柳 洸一*; 益田 隆嗣*; 南部 雄亮*; 藤田 全基*; 齊藤 英治

Nature Communications (Internet), 12, p.5199_1 - 5199_7, 2021/08

 被引用回数:5 パーセンタイル:58.53(Multidisciplinary Sciences)

A triplon refers to a fictitious particle that carries angular momentum $$S=1$$ corresponding to the elementary excitation in a broad class of quantum dimerized spin systems. Such systems without magnetic order have long been studied as a testing ground for quantum properties of spins. Although triplons have been found to play a central role in thermal and magnetic properties in dimerized magnets with singlet correlation, a spin angular momentum flow carried by triplons, a triplon current, has not been detected yet. Here we report spin Seebeck effects induced by a triplon current: triplon spin Seebeck effect, using a spin-Peierls system CuGeO$$_3$$. The result shows that the heating-driven triplon transport induces spin current whose sign is positive, opposite to the spin-wave cases in magnets. The triplon spin Seebeck effect persists far below the spin-Peierls transition temperature, being consistent with a theoretical calculation for triplon spin Seebeck effects.

論文

Observation of nuclear-spin Seebeck effect

吉川 貴史*; Reitz, D.*; 伊藤 宏陽*; 巻内 崇彦*; 杉本 宜陽*; 恒川 翔*; 大門 俊介*; 大柳 洸一*; Ramos, R.*; 高橋 三郎*; et al.

Nature Communications (Internet), 12, p.4356_1 - 4356_7, 2021/07

 被引用回数:16 パーセンタイル:88.21(Multidisciplinary Sciences)

Thermoelectric effects have been applied to power generators and temperature sensors that convert waste heat into electricity. The effects, however, have been limited to electrons to occur, and inevitably disappear at low temperatures due to electronic entropy quenching. Here, we report thermoelectric generation caused by nuclear spins in a solid: nuclear-spin Seebeck effect. The sample is a magnetically ordered material MnCO$$_3$$ having a large nuclear spin $$(I=5/2)$$ of $$^{55}$$Mn nuclei and strong hyperfine coupling, with a Pt contact. In the system, we observe low-temperature thermoelectric signals down to 100 mK due to nuclear-spin excitation. Our theoretical calculation in which interfacial Korringa process is taken into consideration quantitatively reproduces the results. The nuclear thermoelectric effect demonstrated here offers a way for exploring thermoelectric science and technologies at ultralow temperatures.

論文

Observation of quantum interference conductance fluctuations in metal rings with strong spin-orbit coupling

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:5.69(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.

論文

Magnetic field dependence of the nonlocal spin Seebeck effect in Pt/YIG/Pt systems at low temperatures

大柳 洸一*; 吉川 貴史*; 齊藤 英治

AIP Advances (Internet), 10(1), p.015031_1 - 015031_5, 2020/01

 被引用回数:13 パーセンタイル:69.6(Nanoscience & Nanotechnology)

We report the nonlocal spin Seebeck effect (nlSSE) in a lateral configuration of Pt/Y$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$(YIG)/Pt systems as a function of the magnetic field $$B$$ (up to 10 T) at various temperatures $$T$$ (3 K $$< T <$$ 300 K). The nlSSE voltage decreases with increasing B in a linear regime with respect to the input power (the applied charge-current squared $$I^2$$). The reduction of the nlSSE becomes substantial when the Zeeman energy exceeds thermal energy at low temperatures, which can be interpreted as freeze-out of magnons relevant for the nlSSE. Furthermore, we found the nonlinear power dependence of the nlSSE with increasing $$I$$ at low temperatures ($$T <$$ 20 K), at which the B-induced signal reduction became less visible. Our experimental results suggest that in the nonlinear regime, high-energy magnons are overpopulated compared to those expected from the thermal energy. We also estimate the magnon spin diffusion length as functions of $$B$$ and $$T$$.

論文

Absence of evidence of spin transport through amorphous Y$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$

Gomez-Perez, J. M.*; 大柳 洸一*; 八尋 黎明*; Ramos, R.*; Hueso, L. E.*; 齊藤 英治; Casanova, F.*

Applied Physics Letters, 116(3), p.032401_1 - 032401_5, 2020/01

 被引用回数:9 パーセンタイル:54.31(Physics, Applied)

We probe the current-induced magnetic switching of insulating antiferromagnet-heavy-metal systems, by electrical spin Hall magnetoresistance measurements and direct imaging, identifying a reversal occurring by domain wall (DW) motion. We observe switching of more than one-third of the antiferromagnetic domains by the application of current pulses. Our data reveal two different magnetic switching mechanisms leading together to an efficient switching, namely, the spin-current induced effective magnetic anisotropy variation and the action of the spin torque on the DWs.

論文

Magnon polarons in the spin Peltier effect

八尋 黎明*; 吉川 貴史*; Ramos, R.*; 大柳 洸一*; 日置 友智*; 大門 俊介*; 齊藤 英治

Physical Review B, 101(2), p.024407_1 - 024407_7, 2020/01

 被引用回数:18 パーセンタイル:78.55(Materials Science, Multidisciplinary)

We report the observation of anomalous peak structures induced by hybridized magnon-phonon excitation (magnon polarons) in the magnetic field dependence of the spin Peltier effect (SPE) in a Lu$$_2$$Bi$$_1$$Fe$$_4$$Ga$$_1$$O$$_{12}$$ (BiGa:LuIG) with Pt contact. The SPE peaks coincide with magnetic fields tuned to the threshold of magnonpolaron formation, consistent with the previous observation in the spin Seebeck effect. The enhancement of SPE is attributed to the lifetime increase in spin current caused by magnon-phonon hybridization in BiGa:LuIG.

論文

Spin transport in insulators without exchange stiffness

大柳 洸一*; 高橋 三郎*; Cornelissen, L. J.*; Shan, J.*; 大門 俊介*; 吉川 貴史*; Bauer, G. E. W.*; Van Wees, B. J.*; 齊藤 英治

Nature Communications (Internet), 10, p.4740_1 - 4740_6, 2019/10

 被引用回数:33 パーセンタイル:88.92(Multidisciplinary Sciences)

The discovery of new materials that efficiently transmit spin currents has been important for spintronics and material science. The electric insulator Gd$$_3$$Ga$$_5$$O$$_{12}$$ (GGG), a standard substrate for growing magnetic films, can be a spin current generator, but has never been considered as a superior conduit for spin currents. Here we report spin current propagation in paramagnetic GGG over several microns. Surprisingly, spin transport persists up to temperatures of 100 K $$gg$$ T$$_g$$=180 mK, the magnetic glass-like transition temperature of GGG. At 5 K and 3.5 T, we find a spin diffusion length $$lambda_mathrm{GGG}=1.8pm0.2$$ $$mu$$m and a spin conductivity $$sigma_mathrm{GGG}=(7.3 pm 0.3)times 10^4$$ Sm$$^{-1}$$ that is larger than that of the record quality magnet Y$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$ (YIG). We conclude that exchange stiffness is not required for efficient spin transport, which challenges conventional models and provides new material-design strategies for spintronic devices.

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, p.2616_1 - 2616_5, 2019/06

 被引用回数:28 パーセンタイル:81.84(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

Magnetomechanical sensing based on delta-E effect in Y$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$ micro bridge

有沢 洋希*; 大門 俊介*; 追川 康之*; Seo, Y.-J.*; 針井 一哉; 大柳 洸一*; 齊藤 英治

Applied Physics Letters, 114(12), p.122402_1 - 122402_5, 2019/03

 被引用回数:4 パーセンタイル:22.27(Physics, Applied)

We have investigated magnetic field effects on mechanical vibration of a magnetic microbridge made of ferrimagnetic insulator Y$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$ at room temperature. The mechanical resonance frequency of the bridge exhibits a steep change at the saturation magnetic field of the microbridge. The steep change was shown to originate from magnetoelastic coupling combined with shape magnetic anisotropy. The competition between shape magnetic anisotropy and the external magnetic field can drive a delta-E effect, the modulation of Young modulus via the magnetoelastic coupling, in a narrow field range, which results in the observed steep change in the mechanical property.

論文

Fabrication and magnetic control of Y$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$ cantilevers

Seo, Y.-J.*; 針井 一哉; 高橋 遼*; 中堂 博之; 大柳 洸一*; Qiu, Z.*; 小野 崇人*; 塩見 雄毅*; 齊藤 英治

Applied Physics Letters, 110(13), p.132409_1 - 132409_4, 2017/03

 被引用回数:12 パーセンタイル:51.21(Physics, Applied)

フェリ磁性体であるY$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$を用いたサブミクロンカンチレバーを収束イオンビーム法によって作成し、その振動特性を磁場によって制御した。カンチレバーは縦横2つの振動モードを示し、それぞれのモードは外部磁場の印加によって共鳴周波数が減少、増大した。この結果は磁気力の磁場変化を取り扱った数値シミュレーションでよく再現された。周波数変化は数%に及ぶことから、磁場による高効率な振動制御が行われたと結論できる。

論文

The H-Invitational Database (H-InvDB); A Comprehensive annotation resource for human genes and transcripts

山崎 千里*; 村上 勝彦*; 藤井 康之*; 佐藤 慶治*; 原田 えりみ*; 武田 淳一*; 谷家 貴之*; 坂手 龍一*; 喜久川 真吾*; 嶋田 誠*; et al.

Nucleic Acids Research, 36(Database), p.D793 - D799, 2008/01

 被引用回数:51 パーセンタイル:71.37(Biochemistry & Molecular Biology)

ヒトゲノム解析のために、転写産物データベースを構築した。34057個のタンパク質コード領域と、642個のタンパク質をコードしていないRNAを見いだすことができた。

論文

高温超伝導発見20周年記念シンポジウムに出席しての印象記

新井 正敏; 安藤 陽一*; 大柳 宏之*; 上村 洸*; 高重 正明*; 前野 悦輝*

固体物理, 41(8), p.529 - 539, 2006/08

高温超伝導発見20周年記念シンポジウムにおいてなされた有益な議論の成果を我が国の高温超伝導研究者や高温超伝導に強い関心を持っている一般の研究者や大学院生に伝えるために会議報告として「固体物理」で紹介する。私がこの会議で最も注目したのはCornell大学のDavis博士による非弾性STMによる51meVのフォノンと電子との相互作用を直接観測したことである。これはそのほかの観測事実をより明瞭な形で示したものであり、非常に驚くべき結果である。酸化物高温超伝導物質が発見されてから20年間に実験技術の飛躍的向上がなされてきた。超難問である酸化物高温超伝導機構解明までにあと数歩まで近づいたといってよい。

論文

A Laboratory scale apparatus for the time-resolved X-ray absorption spectroscopy using laser plasmas as an X-ray source

依田 修; 宮下 敦巳; 村上 浩一*; 大柳 孝純*; 青木 貞雄*; 山口 直洋*

Japanese Journal of Applied Physics, 32(SUPPL.32-2), p.255 - 257, 1993/00

レーザープラズマを軟X線光源とする実験室規模のX線吸収分光装置を開発した。この装置の主たる利用目的は種々の物質のエネルギービームによるプロセシング過程をX線吸収微細構造(XAFS)の観測によって解明することである。装置の構成、特徴及び性能について述べるとともに、カーボンのレーザーアブレーションの過程を時間分解測定した結果について報告する。

報告書

Dynamic behaviors of fragments ejected from the surface of carbon materials by laser ablation

依田 修; 宮下 敦巳; 大柳 孝純*; 村上 浩一*

JAERI-M 92-173, 27 Pages, 1992/10

JAERI-M-92-173.pdf:1.22MB

レーザープラズマをX線源として用いた実験室規模時間分解X線吸収分光装置を作製した。この装置の使用主目的は、100eV~3keVのエネルギー範囲で、プロセス中の種々の物質のX線吸収微細構造を観測することである。金をターゲットに用いた時、300eV以下のエネルギー範囲で最も強いX線が発生し、パルス当り10$$^{16}$$光子の強度が得られた。分光器のエネルギー分解能は5$$times$$10$$^{-3}$$であった。炭素棒とC$$_{60}$$粉末を圧縮したペレットのレーザーアブレーションによって表面から飛び出したフラグメントの動的挙動を観測した。フラグメントの主成分はクラスター、中性原子及びイオンで速度は$$<$$1.4$$times$$10$$^{4}$$m/s(クラスター)及び$$>$$2$$times$$10$$^{4}$$m/s(原子、イオン)と評価された。弱いアブレーションではC$$_{60}$$分子がペレットから分解せずに飛び出す。XPSの結果から、ペレット表面の組織変化が示唆され、SEMの結果から、表面散乱模型で説明できる周期構造が見い出された。

論文

Time-resolved soft X-ray absorption spectroscopy apparatus using laser produced plasma X-ray

宮下 敦巳; 依田 修; 村上 浩一*; 大柳 孝純*; 青木 貞夫*; 山口 直洋*

Proc. of the Laser Advanced Materials Processing,Vol. 1: LAMP 92, p.1029 - 1034, 1992/00

レーザプラズマX線源は放射光に比べコンパクトであり、かつ、入射レーザ光と同程度の短パルス幅で軟X線領域で高輝度と、実験室規模の時間分解測定に使用するX線源として適している。我々の装置においては測定可能エネルギー領域を100eV~1keVの低エネルギー側、1keV~3keVの高エネルギー側と分割し広いエネルギー領域をカバーする事ができる。また、X線生成に用いるレーザを一部分試料照射用に分岐させ、同時にX線生成レーザを遅延回路を通してターゲットに入射する事により、レーザ照射後の試料を時間分解吸収分光測定出来る。生成されるX線量はターゲットチェンバーで10$$^{15}$$photons/sr、分光器のエネルギー分解能は低エネルギー側、高エネルギー側とも$$Delta$$E/Eの値で約5$$times$$10$$^{-3}$$である。

口頭

磁性絶縁体カンチレバーによるスピン波スピン流の検出

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

no journal, , 

スピントロニクス分野において、スピン角運動量と他の角運動量の間の変換は重要な役割を担ってきた。その中で、Einstein-de Haas効果に代表されるスピンから力学的な角運動量への変換は、角運動量保存則によって高効率に行われることが知られている。本研究では、スピン-力学的角運動量変換に、近年多くの注目を集めている磁性絶縁体中のスピン波スピン流を組み合わせることで、力学的角運動量の空間伝送を試みた。サンプルには、イットリウム鉄ガーネットを集束イオンビーム法で加工して作成したマイクロカンチレバー構造を用いた。カンチレバーの根元にパターニングしたヒーター線からの加熱によるスピンSeebeck効果を用いることでカンチレバーにスピン流を注入し、その際生じる振動をレーザーDoppler干渉計によって計測した。熱応力による振動を排除するため、交流熱流と交流磁場によるヘテロダイン信号を測定した結果、交流磁場とカンチレバーが直交する際のみ有意な振動が観測された。この振る舞いはスピン流-力学的角運動量変換の対称性によく対応している。講演では、スピン流を遮断した実験等、結果の詳細を報告する。

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