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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.



太田 祐貴*; 末木 啓介*; 笹 公和*; 高橋 努*; 松中 哲也*; 松村 万寿美*; 戸崎 裕貴*; 本多 真紀*; 細谷 青児*; 高野 健太*; et al.

JAEA-Conf 2018-002, p.99 - 102, 2019/02

福島第一原子力発電所事故により放出された放射性核種に長寿命の$$^{36}$$Cl(半減期: 30.1万年)がある。$$^{36}$$Clは放射性廃棄物の処理の際に土壌中における高い移動能と相まって重要な核種である。しかし、土壌中では無機塩素(Clinorg)が有機塩素(Clorg)に変換・保持されることで、その移動の機構は不明である。本研究では、汚染地域の無機$$^{36}$$Clの深度分布を得ることで$$^{36}$$Clの動態を検討し、事故による$$^{36}$$Cl汚染の程度を検討した。また、5cm表土に含まれる$$^{36}$$Clについても検討した。2017年における深度分布では、$$^{36}$$Cl濃度は表層で最も高くなり、深度とともに緩やかに減少した。一方で、$$^{36}$$Cl/Clはほぼ一定(平均値: 3.24$$pm$$0.55 ($$times$$10$$^{-12}$$))の値を示した。事故前の$$^{36}$$Cl/Clと比べると$$^{36}$$Cl/Clの増加を示し、事故由来の$$^{36}$$Clは土壌3.6g/cm$$^{2}$$(=5cm深)より深く移動していることが分かった。


Radiocarbon variations in tree rings since 1960 near the Tokai nuclear facility, Japan

松中 哲也*; 笹 公和*; 高橋 努*; 細谷 青児*; 松村 万寿美*; 佐藤 志彦; Shen, H.*; 末木 啓介*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 439, p.64 - 69, 2019/01

 被引用回数:1 パーセンタイル:56.06(Instruments & Instrumentation)



Vortex rectenna powered by environmental fluctuations

Lustikova, J.*; 塩見 雄毅*; 横井 直人*; 壁谷 典幸*; 木村 憲彰*; 家永 紘一郎*; 金子 真一*; 大熊 哲*; 高橋 三郎*; 齊藤 英治

Nature Communications (Internet), 9, p.4922_1 - 4922_6, 2018/11

 被引用回数:9 パーセンタイル:20.58(Multidisciplinary Sciences)

A rectenna, standing for a rectifying antenna, is an apparatus which generates d.c. electricity from electric fluctuations. It is expected to realize wireless power transmission as well as energy harvesting from environmental radio waves. To realize such rectification, devices that are made up of internal atomic asymmetry such as an asymmetric junction have been necessary so far. Here we report a material that spontaneously generates electricity by rectifying environmental fluctuations without using atomic asymmetry. The sample is a common superconductor without lowered crystalline symmetry, but, just by putting it in an asymmetric magnetic environment, it turns into a rectifier and starts generating electricity. Superconducting vortex strings only annihilate and nucleate at surfaces, and this allows the bulk electrons to feel surface fluctuations in an asymmetric environment: a vortex rectenna. The rectification and generation can be switched on and off with only a slight change in temperature or external magnetic fields.


Control of Ga-oxide interlayer growth and Ga diffusion in SiO$$_{2}$$/GaN stacks for high-quality GaN-based metal-oxide-semiconductor devices with improved gate dielectric reliability

山田 高寛*; 渡邉 健太*; 野崎 幹人*; 山田 永*; 高橋 言緒*; 清水 三聡*; 吉越 章隆; 細井 卓治*; 志村 考功*; 渡部 平司*

Applied Physics Express, 11(1), p.015701_1 - 015701_4, 2018/01

 被引用回数:18 パーセンタイル:11.8(Physics, Applied)

GaN MOSFETは高耐圧・大電流・低損失の次世代スイッチング素子として期待されている。その実現には絶縁膜/GaN界面の特性改善が課題である。本研究ではプラズマCVDによりSiO$$_{2}$$膜を形成したSiO$$_{2}$$/GaN構造の後酸化処理を行い、極薄GaO$$_{x}$$界面層の形成による界面特性向上の効果について検討した。放射光XPS分析から、SiO$$_{2}$$/GaN界面に極薄GaO$$_{x}$$界面層が形成されることを確認した。その界面欠陥密度は、700-800$$^{circ}$$Cでの最適な後酸化処理を施すことによってコンダクタンスピークが確認されず、10$$^{10}$$cm$$^{-2}$$eV$$^{-1}$$台以下の低い値となった。一方、SiO$$_{2}$$/GaO$$_{x}$$/GaN構造の後酸化処理は、SiO$$_{2}$$層中へのGa拡散を誘発し、絶縁性を著しく劣化させた。そこで、後酸化時間を30分間から30秒間とする急速酸化処理を施した。その結果、SiO$$_{2}$$層中へのGa拡散が制限され、優れた界面特性と高い絶縁性を有する高品質なSiO$$_{2}$$/GaO$$_{x}$$/GaN MOS構造が実現できることがわかった。


Generation of megahertz-band spin currents using nonlinear spin pumping

渡辺 真悟*; 廣部 大地*; 塩見 雄毅*; 井口 亮*; 大門 俊介*; 亀田 麻衣*; 高橋 三郎*; 齊藤 英治

Scientific Reports (Internet), 7, p.4576_1 - 4576_6, 2017/07

 被引用回数:4 パーセンタイル:63.56(Multidisciplinary Sciences)

Spin pumping enables the generation of d.c. and gigahertz-band (GHz-band) voltages from an applied microwave via magnetization dynamics when combined with inverse spin Hall effects. However, generating such voltages in the in-between frequency region, or the megahertz (MHz) band, has been difficult since ferromagnetic resonance usually occurs in the GHz band. Here we show that in spite of GHz-band microwaves applied, MHz-band voltages can be generated by spin pumping with use of nonlinear magnetization dynamics in Y$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$. The mechanism is ascribed to the MHz-band oscillation of the amplitude of the magnetization precession, which is projected onto a rectified voltage component via spin pumping. The present finding could be useful for frequency down-conversion thanks to the simple and durable structure, continuous-wave operation, and the tunability of an output frequency with low magnetic fields.



松中 哲也*; 笹 公和*; 高橋 努*; 細谷 青児*; 松村 万寿美*; 末木 啓介*; 佐藤 志彦

第19回AMSシンポジウム・2016年度「樹木年輪」研究会共同開催シンポジウム報告集, p.76 - 79, 2017/06

原子力施設の稼働に伴い放出する$$^{14}$$C放出量を松の木の年輪に含まれる$$^{14}$$Cを測定することで評価した。結果、(1)東海原子力施設周辺における1967-2010年単年輪内の$$^{14}$$C濃度は、北半球バックグラウンドに比べ2.6-70Bq kg$$^{-1}$$C高かった。(2)単年輪内の余剰$$^{14}$$C濃度は、2つの原子力発電所からの$$^{14}$$C放出量変動の影響を受けて、稼働開始時期と終了時期におよそ応答して増加傾向と減少傾向を示した。(3)再処理施設からの$$^{14}$$C放出量が比較的多かった3つの時期(1980年, 1985年, 1992年付近)に余剰$$^{14}$$C濃度の増大が認められた。(4)主として東海原子力施設に由来すると考えられる単年輪内余剰$$^{14}$$Cは、食物摂取による実効線量に換算すると最大で3.9$$mu$$Sv yr$$^{-1}$$程度であった。


Fabrication and magnetic control of Y$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$ cantilevers

Seo, Y.-J.*; 針井 一哉; 高橋 遼*; 中堂 博之; 大柳 洸一*; Qiu, Z.*; 小野 崇人*; 塩見 雄毅*; 齊藤 英治

Applied Physics Letters, 110(13), p.132409_1 - 132409_4, 2017/03

 被引用回数:12 パーセンタイル:30.04(Physics, Applied)



Theory of spin Hall magnetoresistance (SMR) and related phenomena

Chen, Y.-T.*; 高橋 三郎*; 中山 裕康*; Althammer, M.*; Goennenwein, S. T. B.*; 齊藤 英治; Bauer, G. E. W.*

Journal of Physics; Condensed Matter, 28(10), p.103004_1 - 103004_15, 2016/03

 被引用回数:48 パーセンタイル:35.37(Physics, Condensed Matter)



Simulation of discharge in insulating gas from initial partial discharge to growth of a stepped leader using the percolation model

佐々木 明; 加藤 進*; 高橋 栄一*; 岸本 泰明*; 藤井 隆*; 金澤 誠司*

Japanese Journal of Applied Physics, 55(2), p.026101_1 - 026101_10, 2016/02

 被引用回数:2 パーセンタイル:84(Physics, Applied)



Spin hydrodynamic generation

高橋 遼*; 松尾 衛; 小野 正雄; 針井 一哉; 中堂 博之; 岡安 悟; 家田 淳一; 高橋 三郎*; 前川 禎通; 齊藤 英治

Nature Physics, 12, p.52 - 56, 2016/01

 被引用回数:43 パーセンタイル:6.24(Physics, Multidisciplinary)

Magnetohydrodynamic generation is the conversion of fluid kinetic energy into electricity. Such conversion, which has been applied to various types of electric power generation, is driven by the Lorentz force acting on charged particles and thus a magnetic field is necessary. On the other hand, recent studies of spintronics have revealed the similarity between the function of a magnetic field and that of spin-orbit interactions in condensed matter. This suggests the existence of an undiscovered route to realize the conversion of fluid dynamics into electricity without using magnetic fields. Here we show electric voltage generation from fluid dynamics free from magnetic fields; we excited liquid-metal flows in a narrow channel and observed longitudinal voltage generation in the liquid. This voltage has nothing to do with electrification or thermoelectric effects, but turned out to follow a universal scaling rule based on a spin-mediated scenario. The result shows that the observed voltage is caused by spin-current generation from a fluid motion: spin hydrodynamic generation. The observed phenomenon allows us to make mechanical spin-current and electric generators, opening a door to fluid spintronics.


Barnett effect in paramagnetic states

小野 正雄; 中堂 博之; 針井 一哉; 岡安 悟; 松尾 衛; 家田 淳一; 高橋 遼*; 前川 禎通; 齊藤 英治

Physical Review B, 92(17), p.174424_1 - 174424_4, 2015/11

 被引用回数:15 パーセンタイル:34.83(Materials Science, Multidisciplinary)

We report the observation of the Barnett effect in paramagnetic states by mechanically rotating gadolinium (Gd) metal with a rotational frequency of up to 1.5 kHz above the Curie temperature. An in situ magnetic measurement setup comprising a high-speed rotational system and a fluxgate magnetic sensor was developed for the measurement. Temperature dependence of the observed magnetization follows that of paramagnetic susceptibility, indicating that any emergent magnetic field is proportional to the rotational frequency and is independent of temperature. From the proportionality constant of the emergent field, the gyromagnetic ratio of Gd is calculated to be -29 $$pm$$ 5 GHz/T. This study revisits the primordial issue of magnetism with modern technologies to shed new light on the fundamental spin-rotation coupling.


Stabilization of a high-order harmonic generation seeded extreme ultraviolet free electron laser by time-synchronization control with electro-optic sampling

冨澤 宏光*; 佐藤 尭洋*; 小川 奏*; 渡川 和晃*; 田中 隆次*; 原 徹*; 矢橋 牧名*; 田中 均*; 石川 哲也*; 富樫 格*; et al.

High Power Laser Science and Engineering, 3, p.e14_1 - e14_10, 2015/04

 被引用回数:2 パーセンタイル:81.98(Optics)

自由電子レーザー(FEL)は、共振器を使用しない自己増幅自発放射(SASE)方式を用いている。この方式では、自然放射光を種光としてレーザー発振・増幅するため、発振したレーザー光のスペクトルや時間波形がスパイク状構造になる欠点がある。この問題点を解決するために、短波長光源である高次高調波をFELにインジェクションし、スペクトルや時間波形にスパイク構造のないフルコヒーレント化された極端紫外領域(波長61.2nm)のシードFEL光の発生に成功した。しかしながら、外部からのコヒーレント光をシード光として用いる場合、電子バンチとシード光のタイミングドリフトにより、シードFEL光の出力ゆらぎが大きくなり、発生頻度も減少する問題がある。この問題点を解決するために、電気光学(Electro-Optic: EO)効果を利用したタイミングモニターを開発し、FEL装置の診断セクションに導入した。これにより、シードFEL光(波長61.2nm)の発生頻度が約0.3%から約25%に向上し、最大出力20$$mu$$Jが得られた。また、検討中の水の窓領域でのシードFELについても報告する。


The Spin state of iron in Fe$$^{3+}$$-bearing Mg-perovskite and its crystal chemistry at high pressure

増野 いづみ*; 大谷 栄治*; 平尾 直久*; 三井 隆也; 増田 亮*; 瀬戸 誠*; 境 毅*; 高橋 豪*; 中野 聡志*

American Mineralogist, 99(8-9), p.1555 - 1561, 2014/08

 被引用回数:4 パーセンタイル:79.02(Geochemistry & Geophysics)

Valence, spin states, and crystallographic sites of Fe in (Mg,Fe)SiO$$_{3}$$ perovskite were investigated using energy-domain $$^{57}$$Fe-synchrotron M$"o$ssbauer spectroscopy and powder X-ray diffraction up to 86 GPa. The volumes of Fe$$^{3+}$$ bearing perovskite in this study are slightly smaller than those of Mg endmember perovskite. Our M$"o$ssbauer data suggest that Fe$$^{3+}$$ prefers A sites coupled with Mg vacancies, which is consistent with previous data at ambient conditions. Fe$$^{3+}$$ in the A site remains in a high spin state up to 86 GPa, and some fraction of the A site is occupied by Fe$$^{2+}$$ at pressures above 30 GPa. Fe$$^{2+}$$ in the A sites is also in a high spin state up to 86 GPa. The coupled substitution from Mg$$^{2+}$$ to a high spin state of Fe$$^{3+}$$ and Mg$$^{2+}$$ vacancy would make the volume of perovskite smaller than that of Mg endmember perovskite.


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

 被引用回数:68 パーセンタイル:5.28(Materials Science, Multidisciplinary)



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

 被引用回数:5 パーセンタイル:70.38(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.


A Percolation model of the streamer discharges

佐々木 明; 加藤 進*; 高橋 栄一*; 金澤 誠司*

JPS Conference Proceedings (Internet), 1, p.015029_1 - 015029_4, 2014/03



Spin mixing conductance at a well-controlled platinum/yttrium iron garnet interface

Qiu, Z.*; 安藤 和也*; 内田 健一*; 梶原 瑛祐*; 高橋 遼*; 中山 裕康*; 安 東秀*; 藤川 安仁*; 齊藤 英治

Applied Physics Letters, 103(9), p.092404_1 - 092404_4, 2013/08

 被引用回数:80 パーセンタイル:4.43(Physics, Applied)



Full-coherent free electron laser seeded by 13th- and 15th-order harmonics of near-infrared femtosecond laser pulses

佐藤 尭洋*; 岩崎 純史*; 大和田 成起*; 山内 薫*; 高橋 栄治*; 緑川 克美*; 青山 誠; 山川 考一; 富樫 格*; 深見 健司*; et al.

Journal of Physics B; Atomic, Molecular and Optical Physics, 46(16), p.164006_1 - 164006_6, 2013/08

 被引用回数:3 パーセンタイル:76.91(Optics)



Cable twist pitch variation in Nb$$_{3}$$Sn conductors for ITER toroidal field coils in Japan

高橋 良和; 名原 啓博; 辺見 努; 布谷 嘉彦; 礒野 高明; 濱田 一弥; 松井 邦浩; 河野 勝己; 小泉 徳潔; 押切 雅幸; et al.

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 23(3), p.4801504_1 - 4801504_4, 2013/06

 被引用回数:11 パーセンタイル:41.95(Engineering, Electrical & Electronic)


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