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論文

Gyro-spintronic material science using vorticity gradient in solids

能崎幸雄*; 介川裕章*; 渡邉紳一*; 柚木清司*; 洞口泰輔*; 中山颯人*; 山野井一人*; Wen, Z.*; He, C.*; Song, J.*; et al.

Science and Technology of Advanced Materials, 26(1), p.2428153_1 - 2428153_39, 2025/02

https://doi.org/10.1080/14686996.2024.2428153

被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Materials Science, Multidisciplinary)

We present a novel method for generating spin currents using the gyromagnetic effect, a phenomenon discovered over a century ago. This effect, crucial for understanding the origins of magnetism, enables the coupling between various macroscopic rotational motions and electron spins. While higher rotational speeds intensify the effect, conventional mechanical rotations, typically, below 10,000 RPM, produce negligible results comparable to geomagnetic fluctuations, limiting applied research. Our studies demonstrate that spin current generation comparable to that of rare metals can be achieved through atomic rotations induced by GHz- range surface acoustic waves and the rotational motion of conduction electrons in metallic thin films with nanoscale gradient modulation of electrical conductivity. These effects, termed the acoustic gyromagnetic effect and the current-vorticity gyromagnetic effect, are significant in different contexts.

論文

Antiferromagnetic films and their applications

廣畑貴文*; Lloyd, D. C.*; 窪田崇秀*; 関剛斎*; 高梨弘毅; 介川裕章*; Wen, Z.*; 三谷誠司*; 小泉洸生*

IEEE Access, 11, p.117443 - 117459, 2023/10

https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3326448

被引用回数：3 パーセンタイル：20.14(Computer Science, Information Systems)

Spintronic devices are expected to replace the recent nanoelectronic memories and sensors due to their efficiency in energy consumption and functionality with scalability. To date, spintronic devices, namely magnetoresistive junctions, employ ferromagnetic materials by storing information bits as their magnetization directions. However, in order to achieve further miniaturization with maintaining and/or improving their efficiency and functionality, new materials development is required: 1) increase in spin polarization of a ferromagnet or 2) replacement of a ferromagnet by an antiferromagnet. Antiferromagnetic materials have been used to induce an exchange bias to the neighboring ferromagnet but they have recently been found to demonstrate a 100% spin-polarized electrical current, up to THz oscillation and topological effects. In this review, the recent development of three types of antiferromagnets is summarized with offering their future perspectives towards device applications.

論文

PSTEP: Project for solar-terrestrial environment prediction

草野完也*; 一本潔*; 石井守*; 三好由純*; 余田成男*; 秋吉英治*; 浅井歩*; 海老原祐輔*; 藤原均*; 後藤忠徳*; et al.

Earth, Planets and Space (Internet), 73(1), p.159_1 - 159_29, 2021/12

https://doi.org/10.1186/s40623-021-01486-1

被引用回数：7 パーセンタイル：38.33(Geosciences, Multidisciplinary)

PSTEPとは、2015年4月から2020年3月まで日本国内の太陽・地球惑星圏に携わる研究者が協力して実施した科研費新学術領域研究である。この研究枠組みから500以上の査読付き論文が発表され、様々なセミナーやサマースクールが実施された。本論文では、その成果をまとめて報告する。

論文

Anomalous temperature dependence of current-induced torques in CoFeB/MgO heterostructures with Ta-based underlayers

Kim, J.*; Sinha, J.*; 三谷誠司*; 林将光*; 高橋三郎*; 前川禎通; 山ノ内路彦*; 大野英男*

Physical Review B, 89(17), p.174424_1 - 174424_8, 2014/05

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.89.174424

被引用回数：95 パーセンタイル：93.58(Materials Science, Multidisciplinary)

磁気トンネル接合素子に用いられるCoFeB/Mgoヘテロ構造膜の下地に用いられるTa膜の影響を調べた。Ta下地膜は電流による磁化反転に大きな効果を持っていることがわかった。この結果はスピン拡散モデルで解析された。

論文

Thermal engineering of non-local resistance in lateral spin valves

葛西伸哉*; 平山悠介*; 高橋有紀子*; 三谷誠司*; 宝野和博*; 安立裕人; 家田淳一; 前川禎通

Applied Physics Letters, 104(16), p.162410_1 - 162410_4, 2014/04

https://doi.org/10.1063/1.4873687

被引用回数：16 パーセンタイル：53.94(Physics, Applied)

We study the non-local spin transport in Permalloy/Cu lateral spin valves (LSVs) fabricated on thermally oxidized Si and MgO substrates. While these LSVs show the same magnitude of spin signals, significant substrate dependence of the baseline resistance was observed. The baseline resistance shows much weaker dependence on the inter-electrode distance than that of the spin transport observed in the Cu wires. A simple analysis of voltage-current characteristics in the baseline resistance indicates the observed result can be explained by a combination of the Peltier and Seebeck effects at the injector and detector junctions, suggesting the usage of high thermal conductivity substrate (or under-layer) is effective to reduce the baseline resistance.

論文

Bias voltage dependence of tunneling magnetoresistance in granular C $_{60}$ -Co films with current-perpendicular-to-plane geometry

境誠司; 三谷誠司*; 松本吉弘; 圓谷志郎; Avramov, P.; 大伴真名歩; 楢本洋*; 高梨弘毅

Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 324(12), p.1970 - 1974, 2012/06

https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2012.01.033

被引用回数：3 パーセンタイル：13.83(Materials Science, Multidisciplinary)

Voltage-dependence of the tunneling magnetoresistance effect in the granular C $_{60}$ -Co films has been investigated under the current-perpendicular-to-plane geometry. The transport measurements demonstrate that the granular C $_{60}$ -Co films show unusually an exponential MR-V dependence. Small characteristic energies of less than 10's meV are derived from the temperature dependences of the characteristic voltage in the exponential relationship. Considering the voltage drops between Co nanoparticles and also the effect of cotunneling on the energy values, the characteristic energies for the voltage-induced degradation of the spin polarization are found to show a satisfactory agreement with that for the thermally-induced one. It can reasonably be expected that the onset of magnetic disorder to the localized d-electron spins at the interface region of the C $_{60}$ -Co compound with Co nanoparticles will lead to the unusual voltage and temperature dependence of the MR ratio and the spin polarization.

論文

Time-domain observation of the spinmotive force in permalloy nanowires

林将光*; 家田淳一; 山根結太; 大江純一郎*; 高橋有紀子*; 三谷誠司*; 前川禎通

Physical Review Letters, 108(14), p.147202_1 - 147202_5, 2012/04

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.147202

被引用回数：41 パーセンタイル：82.29(Physics, Multidisciplinary)

磁壁移動に伴うスピン起電力を、パーマロイ細線における通常の誘導起電力を適切に差し引いた実時間電圧測定により直接検出する。磁壁の移動速度は印加磁場の大きさに対して非線形な振る舞いを示すが、出力電圧は磁場に対して線形となる。電圧信号の符号は、磁壁の運動方向に応じて反転することが示される。これらの振る舞いは、数値シミュレーションにより定量的に説明され、磁壁運動が周期的な磁化構造変化によって特徴付けられないような磁場領域にあったとしても、出力が外部磁場に対して線形に応答する様子が示される。

論文

Effect of cotunneling and spin polarization on the large tunneling magnetoresistance effect in granular C $_{60}$ -Co films

境誠司; 三谷誠司*; 菅井勇; 高梨弘毅; 松本吉弘; 圓谷志郎; 楢本洋*; Avramov, P.; 前田佳均

Physical Review B, 83(17), p.174422_1 - 174422_6, 2011/05

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.83.174422

被引用回数：8 パーセンタイル：34.44(Materials Science, Multidisciplinary)

Magnetotransport properties of the granular C $_{60}$ -Co films are investigated over the broad bias voltage range from the region near zero bias by using the samples with the CPP (current-perpendicular-to-plane) geometry. It is revealed that the granular C $_{60}$ -Co films show the I-V characteristics ascribed to cotunneling whose magnitudes are comparable to other molecular-based granular films. Furthermore, by considering the contribution of cotunneling on the magnitude of the TMR effect, it is successfully demonstrated that the tunnelling electrons generated at the interface between Co nanoparticles and a C $_{60}$ -based matrix (C $_{60}$ -Co compound) in the films have a significantly higher spin polarization (50-80%) than those in Co crystal and at the Al-oxide/Co interface. The present results clearly suggest that the high interfacial spin polarization is the most important cause of the large TMR effect in the granular C $_{60}$ -Co films, in spite of the cotunneling-induced enhancement.

論文

Composition dependence of magnetic and magnetotransport properties in C $_{60}$ -Co granular thin films

菅井勇*; 境誠司; 松本吉弘; 楢本洋*; 三谷誠司*; 高梨弘毅; 前田佳均

Journal of Applied Physics, 108(6), p.063920_1 - 063920_7, 2010/09

https://doi.org/10.1063/1.3471800

被引用回数：8 パーセンタイル：33.25(Physics, Applied)

Composition dependence of magnetic and magnetotransport properties in C $_{60}$ Co $_{x}$ thin films exhibiting large magnetoresistance TMR effect was investigated in the Co composition range of x=8-20, where x denotes the number of Co atoms per C $_{60}$ molecule. The composition dependence of magnetic property revealed a structural transition from well-defined granular structures in the range of x=8-17 to magnetically and electronically coupled states of Co nanoparticles over x=17. As a result of the structural change, the MR behavior became different between the two composition regions separated at x=17. It is found that the zero-bias MR ratio and also the strength of the voltage dependence are in proportion to the charging energy to Co nanoparticles in the samples with well-defined granular structures. The present results indicate that the charging effect of Co nanoparticles plays an important role in the anomalously large MR effect of C $_{60}$ -Co granular films.

論文

X-ray absorption spectroscopy and magnetic circular dichroism in codeposited C $_{60}$ -Co films with giant tunnel magnetoresistance

松本吉弘; 境誠司; 高木康多*; 中川剛志*; 横山利彦*; 島田敏宏*; 三谷誠司*; 楢本洋*; 前田佳均

Chemical Physics Letters, 470(4-6), p.244 - 248, 2009/03

https://doi.org/10.1016/j.cplett.2009.01.032

被引用回数：17 パーセンタイル：49.56(Chemistry, Physical)

X線吸収分光(XAS)、及び磁気円偏光二色性(MCD)分光により巨大トンネル磁気抵抗(TMR)効果を示すC $_{60}$ -Co薄膜の電子・スピン状態解析を行った。結果として薄膜中のC $_{60}$ -Co化合物中に局在するスピン偏極状態(C $_{60}$ 分子の軌道とCo原子の3d軌道間の混成由来)の存在を明らかにした。また同局在スピンの温度に対する磁化方向の変化と、C $_{60}$ -Co薄膜で観測された温度による磁気抵抗比の大きさの変化が良い一致を示した。これはC $_{60}$ -Co化合物のスピン偏極状態がTMR効果発現に寄与していることを明確に示す結果である。

論文

Giant tunnel magnetoresistance in codeposited fullerene-cobalt films in the low bias-voltage regime

境誠司; 菅井勇; 三谷誠司*; 高梨弘毅; 松本吉弘; 楢本洋*; Avramov, P.; 岡安悟; 前田佳均

Applied Physics Letters, 91(24), p.242104_1 - 242104_3, 2007/12

https://doi.org/10.1063/1.2822397

被引用回数：30 パーセンタイル：70.80(Physics, Applied)

Magnetotransport properties in the low bias-voltage regime were investigated for co-deposited C $_{60}$ -Co films. A giant tunnel magnetoresistance (MR) ratio (/ $_{max}$ ) of 80%, which is the highest in ferromagnetic metal/organic molecule systems, was found at low temperatures. The observed bias-voltage dependence of the MR ratio is expressed by an unusual exponential form, suggesting that the MR ratio of nearly 100% can be realized in the low bias-voltage limit.

論文

Magnetic and magnetotransport properties in nanogranular Co/C $_{60}$ -Co film with high magnetoresistance

境誠司; 薬師寺啓*; 三谷誠司*; 菅井勇; 高梨弘毅*; 楢本洋*; Avramov, P.; Lavrentiev, V.*; 鳴海一雅; 前田佳均

Materials Transactions, 48(4), p.754 - 758, 2007/04

https://doi.org/10.2320/matertrans.48.754

被引用回数：10 パーセンタイル：52.53(Materials Science, Multidisciplinary)

10-80%のトンネル磁気抵抗効果を示す交互蒸着法によるC $_{60}$ -Co薄膜の磁気的性質を調べた。磁化特性の磁場及び温度への依存性について、Coナノ粒子に起因するブロッキング温度が約40Kの超常磁性が明らかになった。磁化応答は粒径分布を考慮したランジュバン関数で表され、それによりCoナノ粒子の平均粒径は3.1nm,粒径分布1nmと見積もられた。磁気的性質の測定結果に基づいて、C $_{60}$ -Co薄膜の構造と磁気伝導現象の詳細を議論した。

論文

Tunnel magnetoresistance in Co nanoparticle/Co-C $_{60}$ compound hybrid system

境誠司; 薬師寺啓*; 三谷誠司*; 高梨弘毅*; 楢本洋; Avramov, P.; 鳴海一雅; Lavrentiev, V.; 前田佳均

Applied Physics Letters, 89(11), p.113118_1 - 113118_3, 2006/09

https://doi.org/10.1063/1.2354035

被引用回数：59 パーセンタイル：85.58(Physics, Applied)

本論文では、Co-C $_{60}$ ハイブリッド薄膜におけるスピン依存伝導について初めての結果を報告する。Co-C $_{60}$ ハイブリッド薄膜は超高真空中でCoとC $_{60}$ を交互に蒸着して作成したもので、Co-C $_{60}$ 化合物の母相中にCoナノ粒子が分散した状態であることが同定された。Co-C $_{60}$ ハイブリッド薄膜は、印加バイアスに強く依存する特有なトンネル磁気抵抗効果を示し、磁気抵抗は低バイアス下で数10%であったが、高バイアス下では最大で80%に達することを見いだした。この磁気抵抗の大きさは、ナノグラニュラー薄膜の磁気抵抗効果として異常に大きな値である。磁気抵抗のバイアス依存性から、観測されたトンネル磁気抵抗効果はCo-C $_{60}$ 化合物の電子構造との関連が推察される。

口頭

軟X線磁気円二色性分光によるC $_{60}$ -Co共蒸着薄膜のスピン状態解析

松本吉弘; 境誠司; 圓谷志郎; 中川剛志*; 高木康多*; 横山利彦*; 永松伸一*; 島田敏宏*; 楢本洋*; 三谷誠司*; et al.

no journal, ,

C $_{60}$ -Co化合物中にCo結晶粒が分散したグラニュラー構造を持つC $_{60}$ -Co共蒸着薄膜において、巨大なトンネル磁気抵抗(TMR)効果の発現が明らかとなっている。本研究では、Coの組成比が異なるC $_{60}$ -Co共蒸着薄膜(C $_{60}$ Co $_{x}$ )に対してX線磁気円二色性(XMCD)分光解析を行い、TMR効果発現にかかわるスピン状態情報の獲得を行った。結果としてC $_{60}$ -Co化合物中の吸収スペクトル中に複数の構造が検出された。またC $_{60}$ -Co化合物が磁気円二色性を示すことも明らかとなった。この結果は、C $_{60}$ -Co化合物に局在するスピン偏極状態の存在を示している。さらにTMR効果の理論モデルに、磁場に対して常磁性的に振る舞う局在スピンが、Co粒子間をトンネルする伝導電子のスピン偏極率に影響を及ぼす過程を考慮すると、伝導電子のスピン偏極率が100%に近い場合に、磁気抵抗率の理論値が実験で得られた磁気抵抗率と一致することがわかった。以上の結果から、C $_{60}$ -Co化合物の局在スピンの影響により伝導電子のスピン偏極率が著しく増大することが、C $_{60}$ -Co薄膜で生じるTMR効果の原因であることが明らかとなった。

口頭

巨大トンネル磁気抵抗効果に影響を及ぼすC $_{60}$ -Co化合物の電子/スピン状態

松本吉弘; 境誠司; 圓谷志郎; 中川剛志*; 高木康多*; 横山利彦*; 永松伸一*; 島田敏宏*; 楢本洋*; 三谷誠司*; et al.

no journal, ,

C $_{60}$ -Co化合物中にCoナノ粒子が分散するC $_{60}$ -Co共蒸着薄膜において、巨大トンネル磁気抵抗(TMR)効果の発現が明らかとなっている。C $_{60}$ -Co化合物中の-d混成軌道に由来する局在スピンの働きによりCoナノ粒子間をトンネルする伝導電子のスピン偏極率が著しく増大することが効果発現の原因であると示唆されていることから、本研究ではC $_{60}$ -Co化合物の電子/スピン状態の分光解析を行った。実験は組成の異なるC $_{60}$ -Co化合物(C $_{60}$ Co $_{x}$ )を用いて行った。結果としてC $_{60}$ Co $_{1.8}$ の試料では吸収スペクトル中に幾つかの構造が見て取れたが、飽和組成(C $_{60}$ Co $_{60}$ )に近づくにつれてはっきりとしなくなる。光電子分光測定などから、化合物中のCo原子の価数が組成に応じてわずかながら減少していると考えられるため、XASスペクトルで観測された変化は-d混成軌道の変化を反映しているものと推察される。また、X線磁気円二色性分光により組成に応じた局在スピン状態の変化を精査し、TMR効果に与える影響を検討した。

口頭

Giant TMR effect and spin states in fullerene-cobalt hybirid films

境誠司; 松本吉弘; 三谷誠司*; 高梨弘毅; 高木康多*; 中川剛志*; 横山利彦*; 島田敏宏*; 楢本洋*; 前田佳均

no journal, ,

C60-Co化合物のマトリックス中にCoナノ粒子が分散したグラニュラー構造を有するC60-Co薄膜について、巨大TMR効果の発現を見いだした。同薄膜の磁気抵抗率(MR)は低温で80-90%に達し、さらにゼロ電圧付近で100%に到達する可能性が示された。巨大TMR効果の原因機構について、X線吸収及び磁気円二色性の測定による分光面からの追究を行った。その結果、C60-Co化合物中のCo 3d軌道に由来する状態に局在スピンが存在することが明らかになった。同スピンは常磁性的な温度・磁場依存性を示した。化合物中の局在dスピンの磁気的応答をTMR効果の理論モデルに考慮すると、トンネル電子のスピン偏極率が100%の場合に、MRの実験値と理論モデルによる計算値が一致することを見いだした。本結果は、グラニュラーC60-Co薄膜のスピン輸送過程へのC60-Co化合物の関与を示すものである。

口頭

C60-Coナノグラニュラー薄膜における磁気伝導特性の組成依存性

菅井勇; 境誠司; 三谷誠司*; 松本吉弘; 高梨弘毅; 楢本洋*; Avramov, P.; 岡安悟; 前田佳均

no journal, ,

C60-Co薄膜の磁気抵抗効果の薄膜組成に対する依存性をx=8-20(xはC60分子当のCo原子数)の範囲で調べた。x15の試料で巨大な磁気抵抗効果が観測され、磁気抵抗率はxの減少とともに増大する傾向を示した。一方、x15以上の試料で、磁気抵抗率が大きく減少した。磁化過程の詳細な検討から、x15の試料では、薄膜中に分散するCoナノ粒子間の磁気的結合が生じていることがわかり、同結合領域を経由する電流成分の増大が磁気抵抗率の減少を生じていることが推測された。

口頭

Tunneling magnetotransport in hybrid system of cobalt and C $_{60}$

境誠司; 菅井勇; 薬師寺啓*; 三谷誠司*; 高梨弘毅*; 楢本洋; Avramov, P.; 鳴海一雅; 前田佳均

no journal, ,

最近、同時蒸着及び交互蒸着法によりCo-C $_{60}$ 化合物中にCoナノ粒子が分散したナノグラニュラー薄膜が得られることを見いだした。これまでに、交互蒸着法で作成したナノグラニュラー薄膜が印加バイアスに強く依存する巨大なトンネル磁気抵抗(TMR)効果を示すことを明らかにした。本研究では、同時蒸着法で作成したCo-C $_{60}$ ナノグラニュラー薄膜の磁気伝導性の評価を行ったので報告する。同時蒸着Co-C $_{60}$ 膜も、交互蒸着薄膜と類似のTMR効果を生じることが明らかになった。磁気抵抗は、印加電圧に強い依存性を示し高バイアス領域で約50%(10K以下)に達した。交互蒸着薄膜で明確でなかった新しい知見として、低バイアス領域においても磁気抵抗のバイアス依存性が観測され、特にバイアス電圧が低い領域でも磁気抵抗が増大することがわかった。講演では、ラマン分光などの測定結果を踏まえて、作成法に依存する微視的構造とTMR特性の関連を議論する。

口頭

Giant TMR effect in Granular-structured C $_{60}$ -Co hybrid films

境誠司; 松本吉弘; 菅井勇*; 三谷誠司*; 高梨弘毅; 高木康多*; 中川剛志*; 横山利彦*; 楢本洋*; 前田佳均

no journal, ,

本研究では、C $_{60}$ -Co薄膜の磁気抵抗効果の大小を支配する構造上の要因を明確にし、巨大効果の発現機構を議論するため、磁気抵抗効果の組成依存性の系統的評価及びX線磁気円偏光二色性(XMCD)実験(Co L3端)によるスピン状態の分析を行った。巨大TMR効果を示す組成領域にあるグラニュラーC $_{60}$ -Co薄膜の磁気抵抗率(MR)は、約10K以上でT $^{-2}$ に比例する著しい減少を示すことがわかった。同温度依存性は、常磁性的な磁性を有するC $_{60}$ -Co化合物内の局在スピンの熱的ゆらぎがトンネル電子のスピン偏極状態に影響する過程を考えると説明できることを見いだした。本結果は、トンネル効果を生じる伝導電子のスピン偏極・輸送過程へのC $_{60}$ -Co化合物の関与を強く示唆するものである。講演では詳細な結果を報告する。

口頭

X線光電子分光・X線磁気円二色性測定によるC $_{60}$ -Co薄膜の電子・スピン状態解析

松本吉弘; 境誠司; 高木康多*; 中川剛志*; 横山利彦*; 三谷誠司*; 高梨弘毅; 島田敏宏*; 楢本洋*; 前田佳均

no journal, ,

フラーレン分子にコバルト原子が結合した化合物(C $_{60}$ -Co化合物)中に、ナノサイズの直径を持つコバルト粒子(Coナノ粒子)が分散するC $_{60}$ -Co薄膜で、有機分子-遷移金属からなる系では最大となるトンネル磁気抵抗(TMR)効果の存在を明らかにした。観測された磁気抵抗率(MR)の最大値(約90%)は、Co結晶のスピン分極率から期待される値(14%)と比べても非常に大きく、特異なスピン輸送現象の原因究明が待たれた。本研究ではX線光電子分光及び軟X線放射光による磁気円二色性測定を行い、薄膜中のC $_{60}$ -Co化合物とCoナノ粒子を状態選別した電子・スピン状態情報を獲得した。得られた結果と磁気抵抗率との比較を行うことにより、C $_{60}$ -Co薄膜での巨大TMR効果発現メカニズムを検討した。結果として、C $_{60}$ -Co化合物に局在するスピン偏極状態の存在を明らかにした。同時に、C $_{60}$ -Co化合物のスピン偏極を考慮したMRのモデル計算値(MRcalc)は、実験から得られた磁気抵抗率の大きさ(MR0)及びその温度依存性と一致することが明らかとなった。この結果はC $_{60}$ -Co化合物の局在スピンによって、Coナノ粒子間を流れる伝導電子のスピン偏極状態が強い影響を受けていることを示している。