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山崎 匠*; 平井 孝昌*; 八木 貴志*; 山下 雄一郎*; 内田 健一*; 関 剛斎*; 高梨 弘毅
Physical Review Applied (Internet), 21(2), p.024039_1 - 024039_11, 2024/02
被引用回数：0This study presents a measurement method for determining the figure of merit for transverse thermoelectric conversion in thin-film forms. Leveraging the proposed methodology, we comprehensively investigate the transverse thermoelectric coefficient, in-plane electrical conductivity, and out-of-plane thermal conductivity in epitaxial and polycrystalline Fe/Pt metallic multilayers.
増田 啓人*; 山根 結太*; 関 剛斎*; Raab, K.*; 土肥 昂尭*; Modak, R.*; 内田 健一*; 家田 淳一; Kl
ui, M.*; 高梨 弘毅
Applied Physics Letters, 122(16), p.162402_1 - 162402_7, 2023/04
被引用回数：1 パーセンタイル：54.89(Physics, Applied)We report current-induced magnetization switching in Pt/Co/Ir/Co/Pt multilayers with different Ir layer thicknesses (
), where the perpendicularly magnetized Co layers are coupled ferromagnetically or antiferromagnetically through an interlayer exchange coupling and are sandwiched by the Pt spin Hall layers. The domain structures formed during switching vary depending on the magnetization alignment, i.e., ferromagnetically coupled or antiferromagnetically coupled configuration. These results clarify the macroscopic picture of switching process for interlayer exchange-coupled systems. The local picture of the switching process is also examined by a numerical calculation based on a macrospin model, which reveals the switching dynamics triggered by dual spin-orbit torque for both antiferromagnetically and ferromagnetically coupled cases. The numerical calculation shows that the dual spin-orbit torque from the two Pt layers effectively acts on the two Co layers not only for the antiferromagnetically coupled case but also for the ferromagnetically coupled one. Our findings deepen the under- standing of the switching mechanism in a magnetic multilayer and provide an avenue to design spintronic devices with more efficient spin-orbit torque switching.
Zhou, Z.*; Frost, W.*; Lloyd, D. C.*; 関 剛斎*; 窪田 崇秀*; Ramos, R.*; 齊藤 英治; 高梨 弘毅; 廣畑 貴文*
Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 571, p.170575_1 - 170575_5, 2023/04
被引用回数：0 パーセンタイル：0(Materials Science, Multidisciplinary)Recent development in neuromorphic computation allows us to achieve low power and highly efficient calculations better than the conventional von Neumann computation. In order to achieve realistic synaptic operation, potentiation to add weighting to strengthen a selected artificial synapse. Such functionality can be achieved by reducing the electrical resistance of the artificial synapse. Recently, a ferromagnetic Heusler alloy used in a magnetoresistive junction has been demonstrated to crystallise via the layer-by-layer mode by introducing an electrical current pulse. In this study, we have extended the current-induced crystallisation to a junction with epitaxially-grown Heusler alloy after post-annealing for crystallisation. By combining this potentiation functionality with the neuromorphic operation, realistic synaptic computation can be developed.
増田 啓人*; 関 剛斎*; 山根 結太*; Modak, R.*; 内田 健一*; 家田 淳一; Lau, Y.-C.*; 深見 俊輔*; 高梨 弘毅
Physical Review Applied (Internet), 17(5), p.054036_1 - 054036_9, 2022/05
被引用回数：6 パーセンタイル：73.14(Physics, Applied)反対称層間交換結合(AIEC)が最近発見され、人工反強磁性体(SAF)の傾角磁化の誘起を通じた磁化スイッチングにおいて極めて重要な役割を果たしている。本研究では、くさび形の層を持つ垂直磁化多層膜Pt/Co/Ir/Co/Ptにおける大きなAIECを報告をする。AIECの有効磁場は、対称的な層間交換結合に関連しており、AIECを強化するための指針を提供する。SAFに対する拡張Stoner-Wohlfarthモデルを開発し、その磁化スイッチングの重要な要素を明らかにする。理論的知識と実験結果を組み合わせることで、面内磁場のみによる垂直磁化スイッチングが達成される。
Frost, W.*; 関 剛斎*; 窪田 崇秀*; Ramos, R.*; 齊藤 英治; 高梨 弘毅*; 廣畑 貴文*
Applied Physics Letters, 118(17), p.172405_1 - 172405_5, 2021/04
被引用回数：1 パーセンタイル：7.86(Physics, Applied)We demonstrate that the spin-Seebeck effect can be used to estimate the volume of edge domains formed in a giant magnetoresistive (GMR) device. The thermal gradient induced by Joule heating can be harnessed by the addition of a ferromagnetically insulating channel of Fe
O
on the sides of the GMR pillar. This generates a spin wave in FeO, which couples with the free-layer edge magnetization and controls the reversal of the ferromagnetic layers in one direction only, increasing the current density from 
A/cm
to 
A/cm. By simple assumption, we estimate the effect of the edge domain on magnetization reversal to be 
by spin-transfer torque.
Zhou, W.*; 関 剛斎*; 今村 裕志*; 家田 淳一; 高梨 弘毅*
Physical Review B, 100(9), p.094424_1 - 094424_5, 2019/09
被引用回数：6 パーセンタイル：32.87(Materials Science, Multidisciplinary)The generation of the spinmotive force (SMF) requires the temporal and spatial variations of the magnetic moments. We explore an approach to satisfy this requirement by creating asymmetry in a thin film structure along the out-of-plane direction, through the use of an exchange-coupled 
1
-FePt / Ni
Fe
bilayer element. As the spin wave is excited by rf magnetic field, a continuous dc voltage signal along the out-of-plane direction of the bilayer element appears. The sign of the voltage signal and its microwave power dependency agree with the theoretical framework of the SMF. The corresponding spin wave modes are revealed by carrying out the micromagnetic simulation. Our results demonstrate the generation of the SMF using a vertically structured element in addition to previously reported in-plane structured devices.
内田 健一*; 吉川 貴史*; 関 剛斎*; 小宅 教文*; 塩見 淳一郎*; Qiu, Z.*; 高梨 弘毅*; 齊藤 英治
Physical Review B, 92(9), p.094414_1 - 094414_6, 2015/09
被引用回数：86 パーセンタイル：93.07(Materials Science, Multidisciplinary)The anomalous Nernst effect (ANE) has been investigated in alternately stacked multilayer films comprising paramagnetic and ferromagnetic metals. We found that the ANE is enhanced by increasing the number of the paramagnet/ferromagnet interfaces and keeping the total thickness of the films constant, and that the enhancement appears even in the absence of magnetic proximity effects; similar behavior was observed not only in Pt/Fe multilayers but also in Au/Fe and Cu/Fe multilayers free from proximity ferromagnetism. This universal enhancement of the ANE in metallic multilayers suggests the presence of unconventional interface-induced thermoelectric conversion in the Fe films attached to the paramagnets.
関 剛斎*; 内田 健一*; 吉川 貴史*; Qiu, Z.*; 齊藤 英治; 高梨 弘毅*
Applied Physics Letters, 107(9), p.092401_1 - 092401_4, 2015/08
被引用回数：39 パーセンタイル：81.57(Physics, Applied)We experimentally observed the inverse spin Hall effect (ISHE) of ferromagnetic FePt alloys. Spin Seebeck effect due to the temperature gradient generated the spin current (
) in the FePt
YFe
O
(YIG) structure, and was injected from YIG to FePt and converted to the charge current through ISHE of FePt. The significant difference in magnetization switching fields for FePt and YIG led to the clear separation of the voltage of ISHE from that of anomalous Nernst effect in FePt. We also investigated the effect of ordering of FePt crystal structure on the magnitude of ISHE voltage in FePt.
Zhang, H.; 山本 春也; 深谷 有喜; 前川 雅樹; Li, H.; 河裾 厚男; 関 剛斎*; 齊藤 英治*; 高梨 弘毅*
Scientific Reports (Internet), 4, p.4844_1 - 4844_5, 2014/04
被引用回数：39 パーセンタイル：81.84(Multidisciplinary Sciences)Current-induced spin polarization (CISP) on the outermost surfaces of Au, Cu, Pt, Pd, Ta, and W nanoscaled films were studied using a spin-polarized positron beam. The Au and Cu surfaces showed no significant CISP. In contrast, the Pt, Pd, Ta, and W films exhibited large CISP (3 to 15% per input charge current of 10
A/cm
) and the CISP of Ta and W were opposite to those of Pt and Pd. The sign of the CISP obeys the same rule in spin Hall effect suggesting that the spin-orbit coupling is mainly responsible for the CISP. The magnitude of the CISP is explained by the Rashba-Edelstein mechanism rather than the diffusive spin Hall effect. This settles a controversy, that which of these two mechanisms dominates the large CISP on metal surfaces.
河裾 厚男; 深谷 有喜; 前川 雅樹; Zhang, H.; 関 剛斎*; 吉野 達郎*; 齊藤 英治*; 高梨 弘毅*
Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 342, p.139 - 143, 2013/09
被引用回数：19 パーセンタイル：62.39(Materials Science, Multidisciplinary)電流通電下にある白金超薄膜表面におけるスピン偏極陽電子消滅を観測した。その結果、表面で形成されるオルソポジトロニウムの強度が通電方向に応じて変化することが明らかになった。この結果は、通電下において白金表面の伝導電子がスピン偏極していることを示唆している。その場合、伝導電子のスピン偏極率は1%以上であると推定される。
Gu, B.; 管井 勇*; Ziman, T.*; Guo, G. Y.*; 永長 直人; 関 剛斎*; 高梨 弘毅; 前川 禎通
Physical Review Letters, 105(21), p.216401_1 - 216401_4, 2010/11
被引用回数：71 パーセンタイル：90.4(Physics, Multidisciplinary)We show, both experimentally and theoretically, a novel route to obtain giant room temperature spin Hall effect due to surface-assisted skew scattering. In the experiment, we report the spin Hall effect in Pt-doped Au films with different thicknesses 
. The giant spin Hall angle 
= 
is obtained for = 10 nm at room temperature, while it is much smaller for = 20 nm sample. Combined 
and quantum Monte Carlo calculations for the skew scattering due to a Pt impurity show 
0.1 on the Au (111) surface, while it is small in bulk Au. The quantum Monte Carlo results show that the spin-orbit interaction of the Pt impurity on the Au (111) surface is enhanced, because the Pt 5
levels are lifted to the Fermi level due to the valence fluctuation. In addition, there are two spin-orbit interaction channels on the Au (111) surface, while only one in bulk Au.
深谷 有喜; 前川 雅樹; 望月 出海; 関 剛斎*; 高梨 弘毅*; 吉野 達郎*; 齊藤 英治; 河裾 厚男
no journal, ,
最近、非磁性体においても電流によりスピン流が発現するスピンホール効果が注目を集めている。これまで、さまざまな手法を用いてスピンホール効果の検出がなされているが、多くの手法は、通電状態で偏極電子を直接検出するものではない。本研究では、スピン偏極陽電子消滅実験によりスピンホール効果の直接検出を試みた。用いた試料は、酸化物基板上に成膜したPt薄膜(膜厚:50nm)である。
Na又は
Ge-Gaを陽電子線源として形成したスピン偏極陽電子ビームを通電したPt試料表面に打ち込み、消滅
線のエネルギースペクトルを計測した。陽電子スピンは試料面内に偏極しており、通電方向を変えることで、陽電子と電子のスピンを平行,反平行に変えた。試料への通電方向を一回ごとに反転させながらエネルギースペクトルを測定したところ、3光子消滅強度が通電方向により明瞭に変化することがわかった。さらに、その増減の振幅が電流密度に依存することもわかった。以上の結果は、通電方向を反転させたことで、表面ポジトロニウムを形成している陽電子と電子のスピンの向き(平行・反平行)の割合が変化するためとして説明される。講演では、陽電子の打ち込みエネルギー依存性についても報告する。
深谷 有喜; Zhang, H.; 前川 雅樹; 望月 出海; 関 剛斎*; 高梨 弘毅*; 吉野 達郎*; 齊藤 英治; 家田 淳一; 前川 禎通; et al.
no journal, ,
スピンホール効果とは、スピン軌道相互作用により上向きと下向きのスピンが電流に対して垂直2方向に分離される効果である。大きな特徴として、磁場を必要としないことと、非磁性体においても発現する点が挙げられ、スピントロニクス分野で精力的に研究されている。通常、電子スピンの偏極は逆スピンホール効果等を利用して間接的に検出されるが、定常電流を発生させた平衡状態で偏極電子スピンを直接検出することが重要である。本研究では、スピン偏極陽電子ビームを用いて、非磁性体において通電中に発現した偏極電子スピンの検出を試みた。エネルギー50eVの陽電子をPtとAu薄膜表面に打ち込んだ時に放出される表面ポジトロニウムの3光子消滅強度を測定したところ、3光子消滅強度が通電方向により変化すること、さらにPt薄膜におけるその振幅はAuに比べて約6倍大きいことがわかった。3光子消滅強度の非対称度から今回得られた電子スピンの偏極率を見積もると、スピン拡散理論から予想される値より4桁大きいことがわかった。今回の結果は、スピンホール効果そのものというよりは、副次的またはそれとは独立に誘発された別の電子スピン蓄積(表面磁性またはラシュバ効果)を検出している可能性がある。
河裾 厚男; 深谷 有喜; 前川 雅樹; Zhang, H.; 兵頭 俊夫*; 和田 健*; 望月 出海*; 関 剛斎*; 齋藤 英司*; 高梨 弘毅*
no journal, ,
物質表面の超構造や超薄膜は、その低次元性に由来してバルクとは異なる性質を示す。最近では、スピントロニクスと関連して、物質表面や超薄膜のスピン輸送現象やスピン蓄積効果などの研究も精力的に行われている。これら表面や超薄膜の物性を電子状態や原子配列構造に基づいて理解するうえで、さまざまな手法が開発されている。しかし、どの手法も単独で物性のすべての側面を解明できるものではなく、さらに新しい手法の開発も必要である。これまで、われわれは陽電子回折法を開発してきた。陽電子は物質から反発作用を受けるため、内部にほとんど侵入せずに最表面で全反射回折され回折図形を作る。これは、X線回折や電子回折にはない性質であり、物質最表面の構造を調べるうえで極めて有用である。われわれはまた、最表面の電子スピン検出や偏極バンド構造を研究する手段として、スピン偏極陽電子消滅法を開発している。本講演では、われわれがこれまで行ってきた陽電子回折による表面超構造の研究について述べるとともに、スピン偏極陽電子消滅法の最新の成果について紹介し、他の物性プローブとの相補的な利用の可能性を模索したい。
Zhang, H.; 河裾 厚男; 深谷 有喜; 前川 雅樹; 関 剛斎*; Gu, B.; 家田 淳一; 前川 禎通
no journal, ,
Using spin-polarized positron annihilation spectroscopy, I have attempted to observe current-induced spin polarization (CISP) on several kinds of non-magnetic metal surfaces. I found that the 3- annihilation fraction of Pt(25nm)/Fe(1nm)/MgO, Pt(50nm)/Fe(1nm)/MgO and Au(3nm)/Nb(50nm)/MgO exhibited an oscillation upon DC reversal suggesting the appearance of in-plane spin-polarized electrons on the outermost surface. The thickness dependence of CISP in Pt(t
)/Fe(1nm)/MgO (t=25, 50, 75 nm) was studied. The estimated spin polarization of Pt(25nm)/Fe(1nm)/MgO was 0.11 at j=1.8
10 A/cm, which is nearly two times than that of Pt(50nm)/Fe(1nm)/MgO at the same current density. Study of material dependence of CISP in Au(50nm)/Fe(1nm)/MgO, Au(3nm)/Nb(50nm)/MgO and Cu(25nm)/MgO shows that, the spin polarization of Au(3nm)/Nb(50nm)/MgO thin film is much larger than that of Au(50nm)/Fe(1nm)/MgO and Cu(25nm)/MgO.
Zhang, H.; 深谷 有喜; 前川 雅樹; Li, H.; 河裾 厚男; 関 剛斎*; 吉野 達郎*; 齊藤 英治*; 高梨 弘毅*
no journal, ,
To directly observe the current-induced spin accumulation (CISP) on the outermost surface of Pt thin films, the Pt/Fe/MgO and Pt/MgO with different Pt thickness were prepared by magnetron sputtering and measured by using the newly-developed spin-polarized positron beam. The 3 annihilation fraction of Pt(25,50 nm)/Fe(1 nm)/MgO exhibited an asymmetry upon DC reversal suggesting the appearance of in-plane spin-polarized electrons on the outermost surface. The asymmetry of the 3 annihilation fraction of Pt(25)/Fe(1 nm)/MgO upon DC reversal disappears after rotating 90 degrees around the sample center, indicates that the CISP of the surface electrons is in-plane and perpendicular to the DC. The thickness dependence of CISP in Pt(t
)/Fe(1nm)/MgO (t=25, 50, 75 nm) was studied. The estimated spin polarization of Pt(25 nm)/Fe(1 nm)/MgO was 0.11 at j=1.8
10
A/cm, which is nearly two times bigger than that of Pt(50 nm)/Fe(1nm)/MgO at the same current density. While for Pt(75 nm)/Fe(1 nm)/MgO surface no spin polarization was observed. The surface spin polarization of Pt(25 nm)/Fe(1nm)/MgO is nearly the same with that of Pt(25 nm)/AlO sample. This phenomenon implies that the surface spin polarization of Pt/Fe/MgO is not induced by the proximity ferromagnetism on the Pt/Fe interface.
河裾 厚男; 前川 雅樹; 深谷 有喜; Zhang, H.; Li, H.; 関 剛斎*; 齊藤 英治*; 高梨 弘毅*
no journal, ,
本講演では(1)スピン偏極陽電子消滅法の基礎と、(2)その磁性表面と電流誘起表面スピン蓄積の研究への応用について述べる。我々は68Ge線源を用いて、3d及び4f強磁性体の陽電子消滅ドップラー拡がり測定を行った。その結果、スペクトルの磁場反転効果が物質の磁化とともに増大することが分かった。また4f強磁性体について磁場反転効果がキュリー点で消失することを見いだした。さらにドップラー拡がりスペクトルの磁場反転曲線がバンド構造の特徴を表していることが分かった。我々はさらに3d強磁性体の消滅寿命が磁場に依存することを見いだした。スピン偏極陽電子ビームを用いてPt, Au, Cu薄膜について電流誘起表面蓄積効果を調べたところ、Pt表面におけるスピン蓄積を見いだした。
河裾 厚男; 前川 雅樹; 深谷 有喜; Zhang, H.; Li, H.; 関 剛斎*; 齊藤 英治*; 高梨 弘毅*
no journal, ,
近年、電子のスピンを利用した新たなデバイスの創出を目指すスピントロニクスという学問分野が誕生した。これに伴い、電子スピンに付随する様々な新現象が相次いで見つかっている。これらを詳細に理解し、さらに新しい現象を探索して行くためには、既存の手法にはない特徴を持った手法が必要である。物質内部にスピン偏極陽電子を打ち込むことで、バンド構造や原子空孔に付随する電子スピンに関する知見を得ることができる。また、物質最表面にスピン偏極陽電子を照射することで、表面伝導電子のスピン偏極率を決定することができる。放射性同位元素から放出される陽電子は進行方向にスピン偏極しており、その偏極率は放出速度に比例する。そこで、我々は従来のNa線源(最大偏極率:約70%)に加えて、新たにGe-Ga線源(最大偏極率: 94%)を製造することでスピン偏極陽電子ビームを開発し、スピントロニクス材料の研究を推進している。本発表では、研究開発の現状を報告する。
Zhang, H.; 山本 春也; Li, H.; 深谷 有喜; 前川 雅樹; 河裾 厚男; 関 剛斎*; 齊藤 英治*; 高梨 弘毅*
no journal, ,
The current-induced outermost (0.1 to 0.2 nm) surface spin polarization of W, Ta, Pt, Pd, Au and Cu nano-scaled films has been observed by using the spin-polarized positron beam. The surface spin polarization of Pt (25 nm) and Pd (25 nm) films is positive and has a giant value as high as 10% at a charge current density of 2E5 A/cmE2. As for Ta and W, the surface spin polarization has a negative sign and the magnitude is rather larger (normalized to a current density of 1E5 A/cmE2). On Au and Cu outermost surfaces, spin polarizations are not detected. The material dependence of surface spin polarization on these six metals is similar to that of spin Hall angle, clarifies that the giant surface spin polarization on transition metal thin films is most probably induced by the spin-orbit interaction.
Zhang, H.; 山本 春也; Li, H.; 深谷 有喜; 前川 雅樹; 河裾 厚男; 関 剛斎*; 齊藤 英治*; 高梨 弘毅*
no journal, ,
The current-induced outermost (0.1 to 0.2 nm) surface spin polarization of W, Ta, Pt, Pd, Au and Cu nano-scaled films has been observed by using the spin-polarized positron beam. The surface spin polarization of Pt (25 nm) and Pd (25 nm) films is positive and has a giant value as high as 10% at a charge current density of 2E5 A/cmE2. As for Ta and W, the surface spin polarization has a negative sign and the magnitude is rather larger (normalized to a current density of 1E5 A/cmE2). On Au and Cu outermost surfaces, spin polarizations are not detected. The material dependence of surface spin polarization on these six metals is similar to that of spin Hall angle, clarifies that the giant surface spin polarization on transition metal thin films is most probably induced by the spin-orbit interaction.
