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論文

Giant spin hydrodynamic generation in laminar flow

高橋 遼*; 中堂 博之; 松尾 衛; 針井 一哉*; 大沼 悠一*; 前川 禎通; 齊藤 英治

Nature Communications (Internet), 11, p.3009_1 - 3009_6, 2020/06

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Multidisciplinary Sciences)

Hydrodynamic motion can generate a flux of electron-spin's angular momentum via the coupling between fluid rotation and electron spins. Such hydrodynamic generation, called spin hydrodynamic generation (SHDG), has recently attracted attention in a wide range of fields, especially in spintronics. Spintronics deals with spin-mediated interconversion taking place on a micro or nano scale because of the spin-diffusion length scale. To be fully incorporated into the interconversion, SHDG physics should also be established in such a minute scale, where most fluids exhibit a laminar flow. Here, we report electric voltage generation due to the SHDG in a laminar flow of a liquid-metal mercury. The experimental results show a scaling rule unique to the laminar-flow SHDG. Furthermore, its energy con- version efficiency turns out to be about 105 greater than of the turbulent one. Our findings reveal that the laminar-flow SHDG is suitable to downsizing and to extend the coverage of fluid spintronics.

論文

Universal $$frac{1}{3}$$-suppression of magnonic shot noise in diffusive insulating magnets

仲田 光樹; 大沼 悠一*; 松尾 衛*

Physical Review B, 100(1), p.014406_1 - 014406_8, 2019/07

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Materials Science, Multidisciplinary)

強磁性絶縁体接合系と比較し、不純物散乱をうける磁性絶縁体バルク中のマグノン流ノイズは$$frac{1}{3}$$に抑制されることを明らかにした。

論文

Angular momentum compensation manipulation to room temperature of the ferrimagnet Ho$$_{3-x}$$Dy$$_{x}$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$ detected by the Barnett effect

今井 正樹; 中堂 博之; 小野 正雄; 針井 一哉; 松尾 衛; 大沼 悠一*; 前川 禎通; 齊藤 英治

Applied Physics Letters, 114(16), p.162402_1 - 162402_4, 2019/04

 被引用回数:7 パーセンタイル:21.51(Physics, Applied)

We demonstrate that the angular momentum compensation temperature $$T_{rm A}$$, at which the net angular momentum in the sample disappears, can be controlled in Ho$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$ by partially substituting Dy for Ho. The $$T_{rm A}$$ can be detected using the Barnett effect, by which mechanical rotation magnetizes an object due to spin-rotation coupling. We found that $$T_{rm A}$$ increases with the Dy content and clarified that the $$T_{rm A}$$ of Ho$$_{1.5}$$Dy$$_{1.5}$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$ coincides with room temperature. The Barnett effect enables us to explore materials applicable to magnetic devices utilizing the angular momentum compensation only by rotating the powder sample at room temperature.

論文

Asymmetric quantum shot noise in magnon transport

仲田 光樹; 大沼 悠一*; 松尾 衛*

Physical Review B, 99(13), p.134403_1 - 134403_7, 2019/04

 被引用回数:2 パーセンタイル:56.85(Materials Science, Multidisciplinary)

マグノン流に内在する量子力学的性質「量子ゆらぎ物性」をスピン流雑音の観点から理論的に研究し、マグノン流の非可換性由来の非対称マグノン流量子雑音を解明した。

報告書

JMTRにおけるEALの設定

川俣 貴則; 小沼 勇一; 花川 裕規

JAEA-Review 2018-031, 33 Pages, 2019/02

JAEA-Review-2018-031.pdf:1.62MB

平成29年度に「原子力災害対策特別保護法に基づき原子力防災管理者が通報すべき事象等に関する規則」の改正・施行に伴い、大洗研究所の原子力事業者防災業務計画の見直しが原子力規制庁から指示された。そのため、JMTRにおいても緊急時活動レベル(Emergency Action Level(以下、EALという。))の作成が新たに必要となった。JMTRのような試験研究炉は、その特性が多岐にわっている。そのため、JMTRの特性と発電用原子炉施設のEALを踏まえた上で、JMTRにおけるEALを設定する必要があった。本報告では、JMTRにおけるEAL設定の基本方針及び選定結果について報告する。

論文

新材料・新製品開発のための先端解析技術

佐々木 宏和*; 西久保 英郎*; 西田 真輔*; 山崎 悟志*; 中崎 竜介*; 磯松 岳己*; 湊 龍一郎*; 衣川 耕平*; 今村 明博*; 大友 晋哉*; et al.

古河電工時報, (138), p.2 - 10, 2019/02

電子顕微鏡や放射光等の先端解析技術は、試料の構造や化学状態について多くの有用な情報をもたらし、材料研究に欠かせないツールとなっている。本稿では、これらの先端解析技術の中から、電子線ホログラフィや放射光を用いたX線小角散乱法(SAXS)等の手法を中心に、材料研究への応用事例を紹介する。これらの手法を活用することにより、未知であった材料の本質を明らかにすることができ、新製品開発の指針を定める上で重要な知見を得ることができる。

論文

Magnonic noise and Wiedemann-Franz law

仲田 光樹; 大沼 悠一*; 松尾 衛*

Physical Review B, 98(9), p.094430_1 - 094430_8, 2018/09

 被引用回数:8 パーセンタイル:32.09(Materials Science, Multidisciplinary)

強磁性絶縁体中のマグノンがもたらすスピン流/熱流に着目し、物質によらない「ゆらぎの普遍的熱磁気関係式」を紹介する。マグノン輸送に内在する量子統計力学的効果「ゆらぎ」を、マグノン流ノイズ(雑音)の視点から従来のマグノンWiedemann-Franz則に取り込み、「熱-磁気-ゆらぎ」三者を紡ぐ「ゆらぎのマグノンWiedemann-Franz則」を提示する。さらに、熱ノイズ(平衡ノイズ)と比較して非平衡ノイズが支配的となるマグノンショットノイズ領域に着目し、線形応答領域のみならず非線形応答領域においても成立するスピンFano因子の普遍的なふるまいを紹介する。

論文

Observation of gyromagnetic reversal

今井 正樹; 緒方 裕大*; 中堂 博之; 小野 正雄; 針井 一哉; 松尾 衛*; 大沼 悠一*; 前川 禎通; 齊藤 英治

Applied Physics Letters, 113(5), p.052402_1 - 052402_3, 2018/07

 被引用回数:9 パーセンタイル:36.37(Physics, Applied)

We report direct observation of gyromagnetic reversal, which is the sign change of gyromagnetic ratio in a ferrimagnet Ho$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$, by using the Barnett effect measurement technique at low temperatures. The Barnett effect is a phenomenon in which magnetization is induced by mechanical rotation through the coupling between rotation and total angular momentum $$J$$ of electrons. The magnetization of Ho$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$ induced by mechanical rotation disappears at 135 K and 240 K. The temperatures correspond to the magnetization compensation temperature $$T_{rm M}$$ and the angular momentum compensation temperature $$T_{rm A}$$, respectively. Between $$T_{rm M}$$ and $$T_{rm A}$$, the magnetization flips over to be parallel against the angular momentum due to the sign change of gyromagnetic ratio. This study provides an unprecedented technique to explore the gyromagnetic properties.

論文

Dirac surface state-modulated spin dynamics in a ferrimagnetic insulator at room temperature

Tang, C.*; Song, Q.*; Chang, C.-Z.*; Xu, Y.*; 大沼 悠一; 松尾 衛*; Liu, Y.*; Yuan, W.*; Yao, Y.*; Moodera, J. S.*; et al.

Science Advances (Internet), 4(6), p.eaas8660_1 - eaas8660_6, 2018/06

 被引用回数:8 パーセンタイル:26.78(Multidisciplinary Sciences)

This work demonstrates markedly modified spin dynamics of magnetic insulator (MI) by the spin momentum-locked Dirac surface states of the adjacent topological insulator (TI). As the Bi concentration $$x$$ is systematically tuned in 5-nm-thick (Bi$$_{x}$$Sb$$_{1-x}$$)$$_{2}$$Te$$_{3}$$ TI films, the weight of the surface relative to bulk states peaks at $$x$$ = 0.32 when the chemical potential approaches the Dirac point. At this concentration, the Gilbert damping constant of the precessing magnetization in 10-nm-thick Y$$_{3}$$Fe$$_{5}$$O$$_{12}$$ MI films in the MI/TI heterostructures is enhanced by an order of magnitude, the largest among all concentrations. In addition, the MI acquires additional strong magnetic anisotropy that favors the in-plane orientation with similar Bi concentration dependence. These extraordinary effects of the Dirac surface states distinguish TI from other materials such as heavy metals in modulating spin dynamics of the neighboring magnetic layer.

論文

Spin current noise of the spin Seebeck effect and spin pumping

松尾 衛*; 大沼 悠一; 加藤 岳生*; 前川 禎通

Physical Review Letters, 120(3), p.037201_1 - 037201_5, 2018/01

 被引用回数:19 パーセンタイル:9.11(Physics, Multidisciplinary)

常磁性金属と強磁性体の二層系におけるスピンゼーベック効果及びスピンポンピングによって生成された純スピン流の揺らぎを理論的に調べた。スピンの保存と非保存の過程を考慮した強磁性体/金属の単純な界面のモデルから出発し、強磁性体/金属の結合強度について2次の摂動の範囲で、界面におけるスピン流とスピン流ノイズの一般的な式を導出した。また、イットリウム鉄ガーネットと白金の二層系を想定し、スピン流とスピン流ノイズを見積もった。その結果、界面におけるスピン非保存過程によって変調された、マグノンが運ぶ有効スピンを、スピン流ノイズを用いて決定できることを示した。加えて、スピン流ノイズによって、マグノンの有効スピン、スピンポンピングにおいて発生する界面での発熱量、常磁性金属のスピンホール角に関する情報が得られることを示した。

論文

熱スピン相互変換

大沼 悠一; 松尾 衛*; 前川 禎通; 齊藤 英治

まぐね, 12(5), p.217 - 224, 2017/10

熱とスピンの相互変換現象であるスピンゼーベック効果及びスピンペルチェ効果について微視的理論に基づき議論を行う。まずはじめに、熱流からスピン流を生成するスピンゼーベック効果について議論する。スピンゼーベック効果の最近の進展を紹介し、フェリ磁性体でのスピンゼーベック効果の符号反転について説明する。次に、スピン流による熱流生成法であるスピンペルチェ効果について議論する。最後に、スピンゼーベック効果とスピンペルチェ効果がオンサーガの相反関係によってまとめられることを示し、スピンと熱の輸送に関するケルビンの関係式を導出する。

論文

Theory of the spin Peltier effect

大沼 悠一; 松尾 衛*; 前川 禎通

Physical Review B, 96(13), p.134412_1 - 134412_4, 2017/10

 被引用回数:21 パーセンタイル:14.69(Materials Science, Multidisciplinary)

常磁性金属と強磁性絶縁体の接合系におけるスピンペルチェ効果の微視的理論を非平衡グリーン関数法に基いて構築した。温度勾配とスピン蓄積によって生成されるスピン流と熱流を、常磁性金属と強磁性絶縁体のスピン帯磁率を用いて定式化した。また、スピン流と熱流がオンサーガーの相反関係を満たすことを確認した。このように導いたスピン流と熱流の式を用いて、常磁性金属から強磁性絶縁体へのスピンを介した熱流注入に伴う、接合界面における発熱量と吸熱量を見積もった。

論文

Theory of spin hydrodynamic generation

松尾 衛*; 大沼 悠一; 前川 禎通

Physical Review B, 96(2), p.020401_1 - 020401_5, 2017/07

 被引用回数:14 パーセンタイル:25.88(Materials Science, Multidisciplinary)

流体運動によるスピン流生成現象を理論的に調べた。量子運動論的理論に基いて流体の渦度と結合するスピン拡散方程式を導き、層流及び乱流の渦度勾配からスピン流が生成されることを示した。また、生成されたスピン流は逆スピンホール電圧の測定から検出されることと、層流及び乱流における電圧が、それぞれ流速及び流速の二乗に比例するという理論予測を示した。本研究は、流体スピントロニクスという分野を切り拓くと期待される。

論文

Spin transport in half-metallic ferromagnets

大沼 悠一; 松尾 衛; 前川 禎通

Physical Review B, 94(18), p.184405_1 - 184405_5, 2016/11

 被引用回数:9 パーセンタイル:43.52(Materials Science, Multidisciplinary)

本論文では、有限温度におけるハーフメタル強磁性体のスピン伝導を理論的に調べた。サイドジャンプ機構とスキュー散乱機構から得られるスピンホール伝導度を、久保公式を用いて導出した。その結果、電子マグノン相互作用によって、マイノリティ電子スピンのバンドギャップ中に有限の状態密度が現れ、これによってスピンホール伝導度が得られることを示した。また、スピンホール伝導度が温度の$${3/2}$$乗に比例するため温度変化に敏感であること、それによってスピンホール伝導度がハーフメタル強磁性体のマイノリティスピン状態を調べる手法になりうることを提案した。

論文

Origin of the spin Seebeck effect in compensated ferrimagnets

Gepr$"a$gs, S.*; Kehlberger, A.*; Coletta, F.*; Qiu, Z.*; Guo, E.-J.*; Schulz, T.*; Mix, C.*; Meyer, S.*; Kamra, A.*; Althammer, M.*; et al.

Nature Communications (Internet), 7, p.10452_1 - 10452_6, 2016/02

 被引用回数:80 パーセンタイル:2.93(Multidisciplinary Sciences)

Magnons are the elementary excitations of a magnetically ordered system. Here, we show that the spin Seebeck effect is sensitive to the complexities of the magnon spectrum. The spin Seebeck effect is caused by a thermally excited spin dynamics that is converted to a voltage by the inverse spin Hall effect at the interface to a heavy metal contact. By investigating the temperature dependence of the spin Seebeck effect in the ferrimagnet gadlinium iron garnet, with a magnetic compensation point near room temperature, we demonstrate that high-energy exchange magnons play a key role in the spin Seebeck effect.

論文

Magnon instability driven by heat current in magnetic bilayers

大沼 悠一*; 安立 裕人; 齊藤 英治; 前川 禎通

Physical Review B, 92(22), p.224404_1 - 224404_8, 2015/12

 被引用回数:7 パーセンタイル:58.13(Materials Science, Multidisciplinary)

We theoretically demonstrate that in a ferromagnet/paramagnet bilayer, a magnon instability accompanied by a gigahertz microwave emission can be driven simply by means of a temperature bias. Employing many-body theory for investigating the effects of a phonon heat current on the magnon lifetime, we show that the magnon instability occurs upon the suppression of the umklapp scattering at low temperatures, leading to microwave emission. The present finding provides crucial information about the interplay of spin current and heat current.

論文

Enhanced dc spin pumping into a fluctuating ferromagnet near Tc

大沼 悠一*; 安立 裕人; 齊藤 英治; 前川 禎通

Physical Review B, 89(17), p.174417_1 - 174417_10, 2014/05

 被引用回数:61 パーセンタイル:6.75(Materials Science, Multidisciplinary)

A linear-response formulation of the dc spin pumping, i.e., a spin injection from a precessing ferromagnet into an adjacent spin sink, is developed in view of describing many-body effects caused by spin fluctuations in the spin sink. It is shown that, when an itinerant ferromagnet near Tc is used as the spin sink, the spin pumping is largely increased owing to the fluctuation enhancement of the spin conductance across the precessing ferromagnet/spin sink inerface. As an example, the enhanced spin pumping from yttrium iron garnet into nickel palladium alloy is analyzed by means of a self-consistent renormalization scheme, and it is predicted that the enhancement can be as large as tenfold.

報告書

Simulator for materials testing reactors

竹本 紀之; 菅谷 直人; 大塚 薫; 花川 裕規; 小沼 勇一; 細川 甚作; 堀 直彦; 神永 雅紀; 田村 一雄*; 堀田 浩司*; et al.

JAEA-Technology 2013-013, 44 Pages, 2013/06

JAEA-Technology-2013-013.pdf:4.42MB

日本原子力研究開発機構では、原子炉挙動の理解及び技能向上を図り、原子力発電所を導入しようとしているアジア諸国をはじめとした国内外の原子力人材育成に貢献するため、照射試験炉シミュレータを開発した。本シミュレータは、文部科学省からの最先端研究開発戦略的強化費補助金のうち、世界最先端研究用原子炉の高度利用による国際的研究開発拠点の整備事業の一環として整備したものであり、照射試験炉の一つであるJMTRをベースに設計し、照射試験炉における運転,照射試験,運転時の異常な過渡変化や事故を模擬することにより、これらに対応した原子炉及び照射設備の運転操作訓練を行えるようにした。本報告は、本シミュレータのシミュレーションモデル,ハードウェア仕様及び運転手順についてまとめたものである。

論文

Spin Seebeck effect in antiferromagnets and compensated ferrimagnets

大沼 悠一; 安立 裕人; 齊藤 英治; 前川 禎通

Physical Review B, 87(1), p.014423_1 - 014423_7, 2013/01

 被引用回数:86 パーセンタイル:4.03(Materials Science, Multidisciplinary)

We theoretically investigate the spin Seebeck effect (SSE) in antiferromagnets and ferrimagnets, and show that the SSE vanishes in antiferromagnets but survives in ferrimagnets even at the magnetization compensation point despite the absence of its saturation magnetization. The nonvanishing SSE in ferrimagnets stems from two nondegenerate magnons. We demonstrate that the magnitude of the SSE in ferrimagnets is unchanged across the magnetization compensation point.

報告書

JMTR照射設備の整備概要

高橋 澄; 塙 博; 小沼 勇一; 細川 甚作; 菅野 勝

JAEA-Technology 2012-007, 31 Pages, 2012/03

JAEA-Technology-2012-007.pdf:4.76MB

材料試験炉は、1968年3月に初臨界を達成して以来、原子炉の燃料材料の耐久性,健全性の試験や基礎研究,ラジオアイソトープの製造等に利用されてきた。2006年8月の第165サイクルの運転をもって一旦停止し、平成24年度からの再稼働に向けて原子炉機器の一部更新及び照射設備の整備を進めている。現在、高燃焼度燃料の出力急昇試験設備,IASCC研究のための材料照射試験装置の据付が完了したところである。その他、水力ラビット照射設備については保守点検を実施した。本報告書は2011年までにJMTRに据え付けが完了した照射装置等の整備状況についてまとめたものである。

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