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論文

Intrinsic surface magnetic anisotropy in Y$$_{3}$$Fe$$_{5}$$O$$_{12}$$ as the origin of low-magnetic-field behavior of the spin Seebeck effect

内田 健一*; 大江 純一郎*; 吉川 貴史*; 大門 俊介*; Hou, D.*; Qiu, Z.*; 齊藤 英治

Physical Review B, 92(1), p.014415_1 - 014415_8, 2015/07

 被引用回数:26 パーセンタイル:77.37(Materials Science, Multidisciplinary)

The magnetic-field dependence of the longitudinal spin Seebeck effect (LSSE) in a Pt/Y$$_{3}$$Fe$$_{5}$$O$$_{12}$$ (YIG)-slab junction system was found to deviate from a bulk magnetization curve of the YIG slab in a low field range. In this paper, we show that the deviation originates from the difference between surface and bulk magnetization processes in the YIG slab and that it appears even when removing possible extrinsic magnetic anisotropy due to surface roughness and replacing the Pt layer with different materials. This result indicates that the anomalous field dependence of the LSSE is due to an intrinsic magnetic property of the YIG surface. Our numerical calculation based on the Landau-Lifshitz-Gilbert equation shows that the deviation between the LSSE and bulk magnetization curves is qualitatively explained by introducing easy-axis perpendicular magnetic anisotropy near the surface of YIG.

論文

Generation of spin currents in the skyrmion phase of a helimagnetic insulator Cu$$_2$$OSeO$$_3$$

廣部 大地*; 塩見 雄毅*; 嶋田 裕樹*; 大江 純一郎*; 齊藤 英治

Journal of Applied Physics, 117(5), p.053904_1 - 053904_6, 2015/02

 被引用回数:8 パーセンタイル:37.13(Physics, Applied)

We report spin-current generation related to skyrmion dynamics resonantly excited by a microwave in a helimagnetic insulator Cu$$_2$$OSeO$$_3$$. A Pt layer was fabricated on Cu$$_2$$OSeO$$_3$$ and voltage in the Pt layer was measured upon magnetic resonance of Cu$$_2$$OSeO$$_3$$ to electrically detect injected spin currents via the inverse spin Hall effect (ISHE) in Pt. We found that ISHE-induced electromotive forces appear in the skyrmion phase of Cu$$_2$$OSeO$$_3$$ as well as in the ferrimagnetic phase, which shows that magnetic skyrmions can contribute to the spin pumping effect.

論文

Unidirectional spin-wave heat conveyer

安 東秀*; Vasyuchka, V. I.*; 内田 健一*; Chumak, A. V.*; 山口 和也*; 針井 一哉; 大江 純一郎*; Jungfleisch, M. B.*; 梶原 瑛祐*; 安立 裕人; et al.

Nature Materials, 12(6), p.549 - 553, 2013/06

 被引用回数:102 パーセンタイル:96.17(Chemistry, Physical)

In this paper, we show a magnetically controllable heat flow caused by a spin-wave current. The direction of the flow can be switched by applying a magnetic field. When microwave energy is applied to a region of ferrimagnetic Y$$_{3}$$Fe$$_{5}$$O$$_{12}$$, an end of the magnet far from this region is found to be heated in a controlled manner and a negative temperature gradient towards it is formed. This is due to unidirectional energy transfer by the excitation of spin-wave modes without time-reversal symmetry and to the conversion of spin waves into heat. The magnetically controlled remote heating we observe is directly applicable to the fabrication of a heat-flow controller.

論文

Spin-motive force due to a gyrating magnetic vortex

田辺 賢士*; 千葉 大地*; 大江 純一郎*; 葛西 伸哉*; 河野 日出夫*; Barnes, S. E.*; 前川 禎通; 小林 研介*; 小野 輝男*

Nature Communications (Internet), 3, p.845_1 - 845_5, 2012/05

 被引用回数:37 パーセンタイル:83.43(Multidisciplinary Sciences)

A change of magnetic flux through a circuit induces an electromotive force. By analogy, a recently predicated force that results from the motion of non-uniform spin structures has been termed the spin-motive force. Although recent experiments seem to confirm its presence, a direct signature of the spin-motive force has remained elusive. Here we report the observation of a real-time spin-motive force produced by the gyration of a magnetic vortex core. We report a good agreement between the experimental results, theory, and micromagnetic simulations, which, taken as a whole, provide strong evidence in favour of a spin-motive force.

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

 被引用回数:30 パーセンタイル:81.09(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

Continuous generation of spinmotive force in a patterned ferromagnetic film

山根 結太; 捧 耕平*; 安 東秀*; 針井 一哉*; 大江 純一郎*; 家田 淳一; Barnes, S. E.*; 齊藤 英治; 前川 禎通

Physical Review Letters, 107(23), p.236602_1 - 236602_4, 2011/11

 被引用回数:39 パーセンタイル:85.21(Physics, Multidisciplinary)

We study, both experimentally and theoretically, the generation of a dc spinmotive force. By exciting a ferromagnetic resonance of a comb-shaped ferromagnetic thin film, a continuous spinmotive force is generated. Experimental results are well reproduced by theoretical calculations, offering a quantitative and microscopic understanding of this spinmotive force.

論文

Spinmotive force due to intrinsic energy of ferromagnetic nanowires

山根 結太; 家田 淳一; 大江 純一郎*; Barnes, S. E.*; 前川 禎通

Applied Physics Express, 4(9), p.093003_1 - 093003_3, 2011/09

 被引用回数:8 パーセンタイル:37.66(Physics, Applied)

We study, both analytically and numerically, a spinmotive force arising from inherent magnetic energy of a domain wall in a wedged ferromagnetic nanowire. In a spatially-nonuniform nanowire, domain walls are subjected to an effective magnetic field, resulting in spontaneous motion of the walls. The spinmotive force mechanism converts the ferromagnetic exchange and demagnetizing energy of the nanowire into the electrical energy of the conduction electrons through the domain wall motion. The calculations show that this spinmotive force can be several microvolts, which is easily detectable by experiments.

論文

Equation-of-motion approach of spin-motive force

山根 結太; 家田 淳一; 大江 純一郎*; Barnes, S. E.*; 前川 禎通

Journal of Applied Physics, 109(7), p.07C735_1 - 07C735_3, 2011/04

 被引用回数:16 パーセンタイル:59.6(Physics, Applied)

We formulate a quantitative theory of an electromotive force of spin origin, i.e., spin-motive force, by the equation-of-motion approach. In a ferromagnetic metal, electrons couple to the local magnetization via the exchange interaction. The electrons are affected by spin dependent forces due to this interaction and the spin-motive force and the anomalous Hall effect appears. We have revealed that the origin of these phenomena is a misalignment between the conduction electron spin and the local magnetization.

論文

Numerical study on the spin Seebeck effect

大江 純一郎; 安立 裕人; 高橋 三郎; 前川 禎通

Physical Review B, 83(11), p.115118_1 - 115118_5, 2011/03

 被引用回数:43 パーセンタイル:85.67(Materials Science, Multidisciplinary)

熱勾配によって誘起される強磁性絶縁体中のスピン波について理論解析を行った。特に、非磁性端子によって観測されるスピン波スピン流の電気的シグナルを計算できる数値シミュレーション法を開発した。揺動散逸定理により温度勾配中の磁化の運動を再現し、計算によって得られたシグナルは実験と良い一致を示した。

論文

Linear-response theory of spin Seebeck effect in ferromagnetic insulators

安立 裕人; 大江 純一郎; 高橋 三郎; 前川 禎通

Physical Review B, 83(9), p.094410_1 - 094410_6, 2011/03

 被引用回数:204 パーセンタイル:98.59(Materials Science, Multidisciplinary)

強磁性体に温度勾配を印可したときにスピン流を駆動する、いわゆるスピンゼーベック効果の線形応答理論を構築する。このアプローチでは、局在磁化の低エネルギー励起であるマグノンに着目する。われわれの線形応答に基づくアプローチは、ごく最近イットリウム鉄ガーネットという典型的な磁性絶縁体で観測されたスピンゼーベック効果を、定性的にも定量的にも記述可能であることを示す。

論文

Gigantic enhancement of spin Seebeck effect by phonon drag

安立 裕人; 内田 健一*; 齊藤 英治; 大江 純一郎; 高橋 三郎; 前川 禎通

Applied Physics Letters, 97(25), p.252506_1 - 252506_3, 2010/12

 被引用回数:128 パーセンタイル:96.63(Physics, Applied)

理論的かつ実験的にスピンゼーベック効果の低温での巨大な増幅現象を議論する。われわれの理論解析は、この現象におけるフォノンの自由度の重要性を明らかとした。すなわち、スピンゼーベック効果は低エネルギースピン励起を引き起こす非平衡フォノンによって強く増幅されるのである。われわれはさらに、大域的なスピン流を伴わないスピンゼーベック効果の観測を理解する鍵が上記のフォノンドラッグのシナリオにあることを指摘し、基盤の情報がスピンゼーベック効果に影響を与えることを予言する。

論文

Spin Seebeck insulator

内田 健一*; Xiao, J.*; 安立 裕人; 大江 純一郎; 高橋 三郎; 家田 淳一; 太田 岳*; 梶原 瑛祐*; 梅沢 浩光*; 河合 浩孝*; et al.

Nature Materials, 9(11), p.894 - 897, 2010/11

 被引用回数:884 パーセンタイル:99.87(Chemistry, Physical)

ゼーベック効果に代表される熱電発電は、次世代の省エネルギー技術には不可欠の機能である。これまでこの機能の発現には伝導電子の存在が必要であると思われてきたが、伝導電子の存在は熱デバイスの設計にとって不利であることが多いため、結果として伝導電子の存在が熱電発電の応用範囲を限定する原因となっていた。今回、われわれは絶縁体中を流れる熱流から電圧を生成することに成功したので、それを報告する。われわれが明らかにしたのは、磁性絶縁体LaY$$_{2}$$ Fe$$_{5}$$O$$_{12}$$が伝導電子を持たないのにもかかわらず、熱流をスピン圧に変換できるという事実である。このスピン圧は、LaY$$_{2}$$Fe$$_{5}$$O$$_{12}$$に貼付けられたPt薄膜中で生じる逆スピンホール効果を用いることで電圧に変換することができるため、熱流から電圧を生成することが可能となる。今回の実験結果を理解するためには、LaY$$_{2}$$Fe$$_{5}$$O$$_{12}$$とPtとの界面に働く、熱によるスピン交換相互作用を考える必要がある。われわれの発見は熱電変換素子となりうる物質の可能性を拡げ、そしてまたスピンゼーベック効果の背後に潜む物理を理解するための極めて重要な情報を与えた。

論文

磁性半導体に対する新しい数値計算法

大江 純一郎; Gu, B.; 前川 禎通

固体物理, 45(5), p.269 - 278, 2010/06

本稿では、磁性半導体に対する新しい数値計算方法として、第一原理計算と量子モンテカルロ法のそれぞれの優れた部分を利用した複合的な方法を紹介する。この方法は、物質固有のバンド構造・混成エネルギーを用いて、電子間相互作用を正確に扱うため、現実の物質の電子状態を正確に記述できる。(Ga,Mn)Asに対する計算では、フェルミ準位の位置によって磁気秩序が変わることがわかり、実験をよく再現することが示される。(Zn,Mn)Oにおける解析結果では、結晶構造の違いが磁気的性質に大きく影響していることを示す。$$d$$軌道に電子が存在しない$$d^0$$磁性半導体においても本方法は有効であることが示され、今後本方法を用いたさまざまな磁性半導体の解析、又は物質設計が期待される。ここで紹介した方法は、磁性半導体のみならず金属原子を含んだ高分子や生体分子などにも適応可能であるため、新しい機能分子の設計なども行うことを計画している。

論文

冷間加工及び熱時効により組織を変化させたNi基合金の引張曲線と荷重-押込み深さ曲線の関係

山本 純一郎*; 二川 正敏; 倉田 有司; 直江 崇*

日本機械学会関東支部茨城講演会(2002)講演論文集, p.1 - 2, 2002/09

照射材料の機械的特性評価として、照射スペースの制約、放射性物質の低減の観点から、微小領域からマクロ特性を評価する技術の確立が待たれる。このような評価法として、押し込み試験から得られる押し込み荷重-深さ曲線に対して逆解析を適用して、機械的特性を定量的に評価する試みを行っている。ここでは、Ni基耐熱合金ハステロイXRを用いて、材料内部の組織を変化させるために冷間加工処理及び熱時効処理を行い、それらの単軸引張強度試験からマクロ特性を評価した。次に、押し込み荷重-深さ曲線から各処理材のマクロ特性評価を行い、両者を比較した。これより、異方性に起因する押し込み荷重-深さ曲線のばらつきを考慮すれば、押し込み荷重-深さ曲線から評価した材料構成式で単軸引張強度特性曲線をほぼ表せることを確認した。

口頭

スピン波媒介スピンゼーベック効果

安立 裕人; 大江 純一郎; 高橋 三郎; 前川 禎通

no journal, , 

スピントロニクスで主役を演ずるスピン流は、これまで金属中の伝導電子によって媒介されるものだと理解されてきた。しかし最近、「局在磁化の低エネルギー励起(スピン波もしくはマグノン)が媒介するスピン流が存在する」という認識が確立しつつある。慣習的に、前者の(従来型の)スピン流のことを"伝導電子スピン流"と呼び、後者のスピン流を"スピン波スピン流"と呼ぶ。スピン波スピン流の重要な特性の一つは、伝導電子スピン流と比べて伝搬距離が格段に長いことである。実際、伝導電子スピン流は数十nmから数$$mu$$m程度で減衰してしまうのに対し、スピン波スピン流は少なくとも数mm程度まで減衰しないことが実験的に示されている。さらにごく最近、磁性絶縁体における"絶縁体スピンゼーベック効果"が報告され、スピン波媒介スピンゼーベック効果というシナリオを検証する格好の舞台を提供している。ここでは、ごく最近観測された磁性絶縁体イットリウム鉄ガーネットにおけるスピンゼーベック効果に焦点を当て、スピン波媒介スピンゼーベック効果というシナリオについて議論する。

口頭

Numerical study on the spin Seebeck effect in ferromagnetic insulators

大江 純一郎; 安立 裕人; 高橋 三郎; 前川 禎通

no journal, , 

強磁性絶縁体中で観測されたスピンゼーベック効果に対する理論解析を紹介する。特に、磁化のダイナミクスを表すLandau-Lifshitz-Gilbert方程式を数値的に解くことで、温度勾配によって流れるスピン波スピン流と、逆スピンホール効果を用いた観測量について言及する。

口頭

Numerical study on the thermal spin transport in ferromagnetic insulators

安立 裕人; 高橋 三郎; 前川 禎通; 大江 純一郎

no journal, , 

温度勾配によって強磁性絶縁体中に誘起されるスピン流に対する研究結果を発表する。揺動散逸定理から導かれるランダムトルク中の磁化のダイナミクスを数値シミュレーションによって求め、温度勾配によって駆動されるスピン波を明らかにする。また、マクロなサンプルにおけるスピン波や、逆スピンホール効果によって観測可能な電圧を議論する。

口頭

細線形状効果による磁壁運動とスピン起電力

山根 結太; 家田 淳一; 大江 純一郎; 前川 禎通

no journal, , 

近年、スピントロニクス分野においてスピン起電力と呼ばれる現象が注目を集めている。スピン起電力とはその名の通り電子のスピン自由度に起因する起電力であり、そのメカニズムにおいては電子スピンと強磁性体中の局在磁化との交換相互作用が本質的な役割を果たしている。磁壁移動を利用してスピン起電力の観測が可能であることがBarnes-Maekawaによって理論的に予測され、のちに実験によって確かめられているが、磁壁移動を誘起するために外部静磁場を印加しており、生じる起電力は外部磁場のエネルギーが電気的に変換されたものである。一方で、断面積が一様でない磁性細線を利用することで、定常的に外場を印加することなく磁壁移動の誘起が可能であることがS.E.Barnesらによって指摘されている。講演では、こうした一様でない断面積を持つ磁性細線を用いたスピン起電力の数値解析の詳細を示す。

口頭

熱駆動スピン波スピン流に対する数値解析

大江 純一郎; 安立 裕人; 高橋 三郎; 前川 禎通

no journal, , 

強磁性体中に温度勾配を印加することで、スピン流が生成されることが報告されている。これはスピンゼーベック効果と呼ばれ、新しいスピン流駆動の方法として注目を集めている。この効果は、強磁性金属中のみならず、強磁性絶縁体、強磁性半導体などでも観測され、熱勾配中の磁化の運動に起因する普遍的な現象であることが明らかになってきた。本研究では、このスピンゼーベック効果を解析するために、強磁性体中の磁化の運動に注目した。具体的には磁化の運動を表すLandau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程式を、温度勾配を有する系において数値的に解き、そこからプラチナ電極に入射されるスピン流を議論した。まず、スピン拡散方程式とLLG方程式を組合せることにより、電極と強磁性体の界面を流れるスピン流を解析的に解き、次に数値解析で得られた磁化の運動を用いることで実際に観測される電圧を求めた。講演では計算の詳細や、強磁性半導体のパラメータを用いた計算結果などを紹介する。

口頭

集団励起を介する熱スピン流の理論解析,3

安立 裕人; 大江 純一郎; 高橋 三郎; 前川 禎通

no journal, , 

ここでは、スピンゼーベック効果におけるフォノンドラッグ機構について議論する。最近報告されたGaMnAsでのスピンゼーベック効果の実験では、基盤上にのせたGaMnAsを小片に分解して(スピン流を殺してしまって)もスピンゼーベックシグナルが変化しないことを報告しているが、フォノンドラッグ機構ではフォノンが基盤中を走れば良いので、このメカニズムと実験はコンシステントである。また、GaMnAsのキュリー温度が低いことを反映して実験はおよそ140K以下で行われているが、この事実は低温でフォノンドラッグが増強されるという性質とコンシステントである。さらに、実験で見られる信号の温度依存性は低温に行くほど(絶対値が)増加する傾向にあり、これもフォノンドラッグのシナリオとコンシステントである。

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