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論文

Switching of magnon parametric oscillation by magnetic field direction

堀部 聡平*; 清水 祐樹*; 星 幸治郎*; 巻内 崇彦*; 日置 友智*; 齊藤 英治

Applied Physics Express, 16(7), p.073001_1 - 073001_4, 2023/07

Parametric oscillation occurs when the resonance frequency of an oscillator is periodically modulated. Owing to time-reversal symmetry breaking in magnets, nonreciprocal magnons can be parametrically excited when spatial-inversion symmetry breaking is provided. This means that magnons with opposite propagation directions have different amplitudes. Here we demonstrate switching on and off the magnon parametric oscillation by reversing the external field direction applied to a Y$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$ micro-structured film. The result originates from the nonreciprocity of surface mode magnons, leading to field-direction dependence of the magnon accumulation under nonuniform microwave pumping. Our numericalcalculation well reproduces the experimental result.

論文

Magnetic hysteresis induction with nanocolumnar defects in magnetic insulators

針井 一哉*; 埋田 真樹; 有沢 洋希*; 日置 友智*; 佐藤 奈々; 岡安 悟; 家田 淳一

Journal of the Physical Society of Japan, 92(7), p.073701_1 - 073701_4, 2023/07

 被引用回数:0 パーセンタイル:65.86(Physics, Multidisciplinary)

Magnetic property modification of an easy-plane magnetic insulator caused by an accumulation of nanocolumnar defects along the film normal was investigated by numerical simulations and heavy-ion beam irradiation experiments. Micromagnetic simulations suggest that depending on the density of the nonmagnetic nanocolumnar defects, the microstructure of the fragmented ferromagnetic domains is formed leading to magnetic coercivity enhancement as well as magnetization reduction. To prove this prediction, gold ions with 300 MeV were used for the irradiation to create amorphous nanocolumnar defects in crystalline bismuth-doped lutetium iron garnet (Bi:LuIG) films. As increasing the ion-irradiation dose, the modifications of the saturation magnetization and magnetic coercivity were observed in an uncorrelated manner; the enhancement of magnetic coercivity exhibits a fluence threshold whereas the decrease of saturation magnetization caused by ion-beam damage is monotonic with increasing beam fluence. These behaviors qualitatively agree with the numerical simulations and the models by continuum percolation theory. Because the irradiation effects are controlled by beam fluences, the present method has the potential to be a microstructuring technique for magnetic insulator.

論文

Spin motive force induced by parametric excitation

星 幸治郎*; 日置 友智*; 齊藤 英治

Applied Physics Letters, 121(21), p.212404_1 - 212404_6, 2022/11

Spin motive force generated by parametrically excited magnetization dynamics is numerically investigated. We calculate spin motive force in a permalloy disk under an ac magnetic field with twice the ferromagnetic resonance frequency parallel to the static magnetic field based on the Landau-Lifshitz-Gilbert equation. We found that large spin motive force originating from standing spin waves driven by parametric excitation appears in the system. The observed time dependence of the voltage shows a dc voltage with an ac component oscillating with twice of the resonance frequency. The estimated amplitude of the voltage due to the spin motive force is $$sim$$$$mu$$V. We also investigate spin motive force driven by different modes of standing spin waves. Our numerical results extend the way to generate spin motive force by making use of the magnetization dynamics with the steep spatial modulation created by nonlinear spin waves excitation, without a nonuniform magnetization structure such as a conventional magnetic domain wall and a vortex.

論文

Hard X-ray photoelectron spectroscopy study of Pt/Y$$_{3}$$Fe$$_{5}$$O$$_{12}$$

小畠 雅明; 吉井 賢資; 福田 竜生; 川崎 郁斗; 岡根 哲夫; 山上 浩志; 矢板 毅; 針井 一哉; 家田 淳一; 岡安 悟; et al.

JPS Conference Proceedings (Internet), 30, p.011192_1 - 011192_6, 2020/03

スピンゼーベック効果を示す系として注目されているPt/Y$$_{3}$$Fe$$_{5}$$O$$_{12}$$(YIG)系に対し、放射光を用いた硬X線光電子分光(HAXPES)により表面及び界面の電子状態測定を行った。本系ではスピンゼーベック効果のほかに特異な性質を示すことが報告されている。例えば、外部磁場が存在しない状況でもホール効果を発現する。この起源として、YIG中のFe$$^{3+}$$イオンがPt膜に染み出し、磁性を持つ金属間化合物を生成している可能性が提案されている。そこでHAXPESの分析深さを利用し、界面近傍の鉄イオン等の電子状態を測定した。Ptの厚みが2nm, 5nm, 8nm, 10nmの試料を測定したところ、2nmと5nmの試料において鉄イオンの分析を行うことができた。Fe 1s光電子スペクトルからは、鉄イオンが3+のものと金属的な0価に近い2つの状態が存在することが判明し、上記の可能性を支持する結果が得られた。Pt 4fやO 1sスペクトルなども測定しており、詳しい結果は当日報告する。

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

Room temperature and low-field resonant enhancement of spin Seebeck effect in partially compensated magnets

Ramos, R.*; 日置 友智*; 橋本 佑介*; 吉川 貴史*; Frey, P.*; Kreil, A. J. E.*; Vasyuchka, V. I.*; Serga, A. A.*; Hillebrands, B.*; 齊藤 英治

Nature Communications (Internet), 10, p.5162_1 - 5162_8, 2019/11

 被引用回数:21 パーセンタイル:77.31(Multidisciplinary Sciences)

Resonant enhancement of spin Seebeck effect (SSE) due to phonons was recently discovered in Y$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$ (YIG). This effect is explained by hybridization between the magnon and phonon dispersions. However, this effect was observed at low temperatures and high magnetic fields, limiting the scope for applications. Here we report observation of phonon-resonant enhancement of SSE at room temperature and low magnetic field. We observe in Lu$$_2$$BiFe$$_4$$GaO$$_{12}$$ an enhancement 700% greater than that in a YIG film and at very low magnetic fields around 10$$^{-1}$$ T, almost one order of magnitude lower than that of YIG. The result can be explained by the change in the magnon dispersion induced by magnetic compensation due to the presence of non-magnetic ion substitutions. Our study provides a way to tune the magnon response in a crystal by chemical doping, with potential applications for spintronic devices.

論文

Time-resolved imaging of magnetoelastic waves by the cotton-mouton effect

日置 友智*; 橋本 佑介*; Johansen, T. H.*; 齊藤 英治

Physical Review Applied (Internet), 11(6), p.061007_1 - 061007_5, 2019/06

 被引用回数:7 パーセンタイル:38.09(Physics, Applied)

We investigate the propagation dynamics of magneto-elastic waves in an out-of-plane (OP) magnetized film using time-resolved magneto-optical (TRMO) microscopy based on the Cotton-Mouton effect. In OP magnetized films, spin precession induces a temporal change in the in-plane component of magnetization ($$mathbf{m}_perp$$), which can be measured through birefringence induced by $$mathbf{m}_perp$$, or the Cotton-Mouton effect (CME). Here we develop an imaging method based on CME, realizing the observation of stress-driven magneto-elastic waves in an OP magnetized film. This result expands the focus of TRMO microscopy, allowing investigation of magneto-elastic waves in OP magnetized films.

論文

Thermographic measurements of the spin Peltier effect in metal/yttrium-iron-garnet junction systems

大門 俊介*; 内田 健一*; 井口 亮*; 日置 友智*; 齊藤 英治

Physical Review B, 96(2), p.024424_1 - 024424_12, 2017/07

 被引用回数:34 パーセンタイル:82.44(Materials Science, Multidisciplinary)

The spin Peltier effect (SPE), heat-current generation due to spin-current injection, in various metal (Pt, W, and Au single layers and Pt/Cu bilayer)/ferrimagnetic insulator [yttrium-iron-garnet (YIG)] junction systems has been investigated by means of a lock-in thermography (LIT) method. The SPE is excited by a spin current across the metal/YIG interface, which is generated by applying a charge current to the metallic layer via the spin Hall effect. The LIT method enables the thermal imaging of the SPE free from the Joule-heating contribution. Importantly, we observed spin-current-induced temperature modulation not only in the Pt/YIG and W/YIG systems, but also in the Au/YIG and Pt/Cu/YIG systems, excluding the possible contamination by anomalous Ettingshausen effects due to proximity-induced ferromagnetism near the metal/YIG interface. As demonstrated in our previous study, the SPE signals are confined only in the vicinity of the metal/YIG interface; we buttress this conclusion by reducing a spatial blur due to thermal diffusion in an infrared-emission layer on the sample surface used for the LIT measurements. We also found that the YIG-thickness dependence of the SPE is similar to that of the spin Seebeck effect measured in the same Pt/YIG sample, implying the reciprocal relation between them.

論文

Time-resolved study of field-induced suppression of longitudinal spin Seebeck effect

日置 友智*; 井口 亮*; Qiu, Z.*; Hou, D.*; 内田 健一*; 齊藤 英治

Applied Physics Express, 10(7), p.073002_1 - 073002_4, 2017/06

 被引用回数:13 パーセンタイル:56.32(Physics, Applied)

We have investigated the magnetic-field-induced suppression of the longitudinal spin Seebeck effect (LSSE) by using a time-resolved measurement technique at room temperature. The result manifested two distinctive time domains: the short-time domain where the observed voltage is insensitive to the magnetic fields, and the long-time domain where the both response time and the magnitude of the observed voltage decreased simultaneously by the magnetic fields. We estimated the magnon propagation length by fitting the transient LSSE response. The propagation length shows a strong dependence on the applied magnetic field, indicating the importance of long-range and low-frequency magnons in the LSSE.

論文

Thermal imaging of spin Peltier effect

大門 俊介*; 井口 亮*; 日置 友智*; 齊藤 英治; 内田 健一*

Nature Communications (Internet), 7, p.13754_1 - 13754_7, 2016/12

 被引用回数:97 パーセンタイル:95.46(Multidisciplinary Sciences)

The Peltier effect modulates the temperature of a junction comprising two different conductors in response to charge currents across the junction, which is used in solid-state heat pumps and temperature controllers in electronics. Recently, in spintronics, a spin counterpart of the Peltier effect was observed. The "spin Peltier effect" modulates the temperature of a magnetic junction in response to spin currents. Here we report thermal imaging of the spin Peltier effect; using active thermography technique, we visualize the temperature modulation induced by spin currents injected into a magnetic insulator from an adjacent metal. The thermal images reveal characteristic distribution of spin-current-induced heat sources, resulting in the temperature change confined only in the vicinity of themetal/insulator interface. This finding allows us to estimate the actual magnitude of the temperature modulation induced by the spin Peltier effect, which is more than one order of magnitude greater than previously believed.

口頭

スピンゼーベック効果を示すPt/YIG薄膜の硬X線光電子分光による界面分析

小畠 雅明; 吉井 賢資; 福田 竜生; 川崎 郁斗; 岡根 哲夫; 針井 一哉; 家田 淳一; 日置 友智*; 齊藤 英治

no journal, , 

熱によりスピン流を生み出すスピンゼーベック効果を示すPt/Y$$_{3}$$Fe$$_{5}$$O$$_{12}$$(YIG)系に対し、放射光硬X線光電子分光(HAXPES)により特異物性の起源を明らかにすることを試みた。本系は、外部磁場が存在しない状況でもホール効果を発現する(異常ホール効果)。この起源として、YIG中のFe$$^{3+}$$イオンがPt膜に染み出し、磁性を持つ金属間化合物を生成していることが示唆されている。本研究ではHAXPESにより、界面近傍の鉄イオン等の電子状態を測定した。実験はSPring-8の原子力機構ビームラインBL22XUで行った。Fe 1s光電子スペクトルからは、鉄イオンが3+のものと金属的な0価に近い2つの状態が存在することが判明し、このシナリオを支持する結果が得られた。Pt 4fやO 1sスペクトルなども測定しており、詳しい結果は当日報告する。

口頭

スピンゼーベック系Pt/Y$$_{3}$$Fe$$_{5}$$O$$_{12}$$の放射光硬X線光電子分光

小畠 雅明; 吉井 賢資; 福田 竜生; 川崎 郁斗; 岡根 哲夫; 山上 浩志; 矢板 毅; 針井 一哉; 家田 淳一; 岡安 悟; et al.

no journal, , 

スピンゼーベック系Pt/Y$$_{3}$$Fe$$_{5}$$O$$_{12}$$(YIG)に対し、放射光を用いた硬X線光電子分光(HAXPES)により特異物性などの起源を明らかにすることを試みた。実験は、SPring-8の原子力機構放射光ビームラインBL22XUにおいて入射光エネルギー8keVを照射して行った。対象系は、外部磁場が存在しない状況でもホール効果を発現することが報告されている(異常ホール効果)。この起源として、YIG中のFe$$^{3+}$$イオンがPt膜に染み出し、磁性を持つ金属間化合物を生成していることが示唆された。そこでHAXPESにより、界面近傍の鉄イオン等の電子状態を測定した。Fe 1s光電子スペクトルからは、鉄イオンが3+のものと金属的な0価に近い2つの状態が存在することが判明し、このシナリオを支持する結果が得られた。また、発電効率の異なる試料に対しHAXPES測定を行い、発電効率の低い試料ではFe 1s光電子ピークがブロードになっており、鉄イオンの価数が複数存在する不均質な状態であることが示唆された。これらの測定ではPt 4fやO 1sスペクトルなども観測しており、詳しい結果は当日報告する。

口頭

放射線照射したPt/Y$$_{3}$$Fe$$_{5}$$O$$_{12}$$の放射光硬X線光電子分光

小畠 雅明; 吉井 賢資; 福田 竜生; 川崎 郁斗; 佐藤 志彦; 谷田 肇; 岡根 哲夫; 山上 浩志; 矢板 毅; 針井 一哉; et al.

no journal, , 

放射線や粒子線を照射したPt/Y$$_{3}$$Fe$$_{5}$$O$$_{12}$$薄膜について、放射光を用いた硬X線光電子分光(HAXPES)により電子状態の分析を行った。スピントロニクス物質はスピン自由度を利用することに起因し、放射線など損傷に強い利点を有するため、放射性廃棄物を利用したエネルギー回収物質への適用可能性が指摘されている。コバルト60からのガンマ線を照射した場合には、HAXPESスペクトルに大きな変化は見られなかった。これは過去に報告された、鉄由来のスピンゼーベック効果がガンマ線照射により変化しない事実と一致する結果である。一方金粒子を照射した場合には、いくつかの光電子ピークに化学シフトが見られ、鉄などのイオンが欠損している可能性が示された。これは、金粒子照射により発電能力が低下することと定性的に一致する。詳細は当日報告する。

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