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論文

Skyrmion-generated spinmotive forces in inversion broken ferromagnets

山根 結太*; 家田 淳一

Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 491, p.165550_1 - 165550_5, 2019/12

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

We present an analytical study on the spinmotive force (SMF) generated by translational motion of magnetic skyrmion. A SMF refers to an electrical voltage induced by dynamical magnetic textures, which reflects the spatiotemporal variation of the magnetization. The dynamics of a skyrmion thus can be detected by a SMF measurement, which may play an important role in future skyrmion-based technologies. We find the dependence of the SMF on skyrmion structure (e.g., skyrmion or anti-skyrmion, Neel or Bloch type, and the polarity of the skyrmion core) and Rashba and Dresselhaus spin-orbit couplings (SOCs). To this end, we derive explicit formulae for the spin-dependent electric fields originating from the two SOCs. Our findings offer a comprehensive understanding of the phenomenon and an estimation of the electrical voltage signal associated with a moving skyrmion for a given experiment.

論文

反強磁性ナノ構造におけるスピントルクと電圧生成

山根 結太*; 家田 淳一

まぐね, 13(5), p.235 - 241, 2018/10

We overview the recent theoretical development on spin-transfer torque in antiferromagnetic nanostructures and related subjects. As antiferromagnetic materials are generating more attention lately due to their potential to play pivotal roles in spintronics applications, demands are rising for reliable methods to control and detect antiferromagnetic textures and their dynamics. While antiferromagnets are largely insensitive to external magnetic fields in general, electrical means are proving to be capable of offering promising ways to access the antiferromagnetic dynamics. We discuss in this article the possibility of manipulation and observation of dynamical antiferromagnetic textures by electrical current and voltage.

論文

Spin-transfer torques in antiferromagnetic textures; Efficiency and quantification method

山根 結太*; 家田 淳一; Sinova, J.*

Physical Review B, 94(5), p.054409_1 - 054409_8, 2016/08

AA2016-0164.pdf:0.5MB

 被引用回数:16 パーセンタイル:25.7(Materials Science, Multidisciplinary)

反強磁性体におけるスピントランスファートルクの理論を定式化し、交換相互作用エネルギーが磁気副格子間の電子ダイナミクスの運動エネルギーに対して大きい場合と小さい場合の両者を取り扱う。本理論により、反強磁性体におけるスピントランスファートルクの効率が明確に定義された物質パラメータを用いて自然に導入される。この結果、電流は交換相互作用が相対的に大きな場合は反強磁性秩序関数と、逆に小さな場合は副格子傾斜磁化と、それぞれより強く結合することが判明した。またこの効果は、電流存在下での反強磁性スピン波分散関係の解析により定量化できる。特に、交換相互作用が相対的に大きな極限では、スピン波のドップラー効果が常に生じるのに対し、その逆の極限では副格子傾斜磁化が顕著となるようなモードにおいてのみ電流に対する応答が生じる。これらの知見は、入れ子構造や層状構造など様々な副格子構造をもつ反強磁性体におけるスピントランスファートルクの理解と設計に対する枠組みを与える。

論文

Electric voltage generation by antiferromagnetic dynamics

山根 結太*; 家田 淳一; Sinova, J.*

Physical Review B, 93(18), p.180408_1 - 180408_5, 2016/05

 被引用回数:13 パーセンタイル:31.71(Materials Science, Multidisciplinary)

We theoretically demonstrate dc and ac electric voltage generation due spinmotive forces originating from domain wall motion and magnetic resonance, respectively, in two-sublattice antiferromagnets. Our theory accounts for the canting between the sublattice magnetizations, the nonadiabatic electron spin dynamics, and the Rashba spin-orbit coupling. We predict that the spinmotive force can of the order of millivolt, several orders larger than their ferromagnetic counterparts. This work suggests a new way to observe and explore the dynamics of antiferromagnetic textures by electrical means.

論文

Spinmotive force due to motion of magnetic bubble arrays driven by magnetic field gradient

山根 結太*; Hemmatiyan, S.*; 家田 淳一; 前川 禎通; Sinova, J.*

Scientific Reports (Internet), 4, p.6901_1 - 6901_5, 2014/11

 被引用回数:10 パーセンタイル:49.05(Multidisciplinary Sciences)

局在磁化と電動電子の相互作用は、磁性材料における多彩な現象の源となっている。最近、磁化の時間的・空間的変化がスピン流とそれに伴う電圧を生成することが示された。この、スピン起電力と名付けられた効果は、次期構造の運動とその性質を探索する上で強力な方法であると同時に、起電力生成の新機構を与えるものである。本論文では、磁場勾配のもとにおかれた磁気バブル配列の系が電圧を生成することを理論的に明らかにする。発生する電圧の理論式を導出することで、電流駆動磁化ダイナミクスにおける非断熱性を記述する現象論的パラメータ$$beta$$の値を直接測定する手段を与える。このスピン起電力によって、磁場勾配を利用した新しいタイプのスピントロニクス素子開発への扉が開かれる。

論文

Spinmotive force with static and uniform magnetization induced by a time-varying electric field

山根 結太; 家田 淳一; 前川 禎通

Physical Review B, 88(1), p.014430_1 - 014430_4, 2013/07

 被引用回数:11 パーセンタイル:46.27(Materials Science, Multidisciplinary)

A new spinmotive force is predicted in ferromagnets with spin-orbit coupling. By extending the theory of spinmotive force, we show that a time-varying electric field can induce a spinmotive force with static and uniform magnetization. This spinmotive has two advantages; it can be detected free from the inductive voltage owing to the absence of dynamical magnetization, and it can be tuned by electric fields. To observe the effect, we propose two experimental setups: Electric voltage measurement in a single ferromagnet and spin injection from a ferromagnet into an attached nonmagnetic conductor.

論文

Real-time analysis of the spinmotive force due to domain wall motion

家田 淳一; 前川 禎通; 山根 結太

Journal of the Korean Physical Society, 62(12), p.1802 - 1806, 2013/06

 被引用回数:2 パーセンタイル:76.54(Physics, Multidisciplinary)

スピン起電力は、被一様磁化構造の実時間ダイナミクスを反映する。われわれは、数値シミュレーションを用いて磁壁移動に伴うスピン起電力の実時間解析を行い、磁壁運動の運動状態が非線形な場合においてもスピン起電力のDC成分は外部磁場に比例することを見いだした。外部磁場の強度を増やしていくと、出力起電力にスパイク状の信号が現れる。これは、磁壁内部にある磁気渦コアの生成・消滅現象に対応することを明らかにした。また、出力起電力と外部磁場の比例係数から、スピン分極率が求められる。この手法を用いることでさまざまな物質のスピン分極率を精確に決定することが可能である。

論文

Spinmotive force in magnetic nanostructures

家田 淳一; 山根 結太*; 前川 禎通

SPIN, 3(2), p.1330004_1 - 1330004_15, 2013/06

 被引用回数:4 パーセンタイル:86.1(Physics, Applied)

The mutual interaction between spin current and magnetization is a key phenomenon in spintronics. This interaction leads to a spinmotive force, a mechanism of energy-transfer from magnetization into conduction electrons. In this paper, the basic concepts and recent developments of the spinmotive force are introduced.

論文

Stability of spinmotive force in perpendicularly magnetized nanowires under high magnetic fields

山根 結太; 家田 淳一; 前川 禎通

Applied Physics Letters, 100(16), p.162401_1 - 162401_3, 2012/04

 被引用回数:6 パーセンタイル:68.44(Physics, Applied)

Spinmotive force induced by domain wall motion in perpendicularly magnetized nanowires is numerically demonstrated. We show that using nanowires with large magnetic anisotropy can lead to a high stability of spinmotive force under strong magnetic fields. We observe spinmotive force in the order of tens of $$mu$$V in a multilayered Co/Ni nanowire and several hundreds of $$mu$$V in a $$L$$1$$_{0}$$-ordered FePt nanowire; the latter is two orders of magnitude greater than that in permalloy nanowires reported previously. The narrow structure and low mobility of a domain wall under magnetic fields in perpendicularly magnetized nanowires permits downsizing of spinmotive force devices.

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:26 パーセンタイル:19.81(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:36 パーセンタイル:14.93(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:7 パーセンタイル:64.46(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:15 パーセンタイル:40.47(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.

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

Equations-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

no journal, , 

Here, we formulate a quantitative theory of the spin-motive force by studying an equation of motion of an electron, which enables us to gain better understanding of its origin. In ferromagnetic metals, the electron spin prefers to be parallel with local magnetization because of the exchange coupling. We show, however, when the magnetization dynamics depends both on time and space, there arises a misalignment between them. We find that the misalignment causes a spin dependent force, which accelerates the electrons in a direction in which the exchange energy is lower. We obtain the general formula of the spin-motive force, and show the results of numerical simulations in a variety of ferromagnetic nanostructures.

口頭

Spin-motive force due to intrinsic magnetic energy difference of a domain wall in a shaped nanostripe

家田 淳一; 山根 結太; 大江 純一郎*; 前川 禎通

no journal, , 

近年、スピン起電力と呼ばれる現象が発見され、磁気ナノ構造においてファラデーの電磁誘導の法則が拡張されることが明らかになった。スピン起電力は磁気ナノ構造における磁化ダイナミクスによって生じる。これまで、幾つかの実験によってスピン起電力が実現されてきたが、これらはすべて外部磁場の印加によって磁化ダイナミクスが誘起されていた。その一方で、形状加工を行った磁性細線を用いることで、外部磁場を用いずにスピン起電力を発生することが理論的に提案されている。本研究では、数値計算的手法を用いてこの理論提案を検証する。

口頭

Wire shape effect on spinmotive force

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

no journal, , 

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.

口頭

Generation of DC spin-motive 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

no journal, , 

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.

口頭

Spin-motive force due to magnetic domain wall motion in shaped nanostripes

家田 淳一; 山根 結太; 大江 純一郎*; 前川 禎通

no journal, , 

近年、磁気ナノ構造ではファラデーの電磁誘導の法則に拡張が必要となることが明らかにされた。この現象はスピン起電力と呼ばれ、これまでに磁壁運動や磁性ナノ粒子を介した電子伝導などで実現されている。これらの実験では、磁気運動を起こす駆動力として外部から磁場を印加し続けている。一方、磁性細線の形状を加工することによって、磁壁を磁場を用いることなく駆動させスピン起電力を発生させる方法が提案されている。今回、われわれは数値計算的手法を用いてこの提案を検証する。大小二箇所のくぼみを持つように形状加工を施した磁性細線において、磁壁は表面エネルギーを低下させるようにくぼみ部に捕獲される。初期状態として小さなくぼみに捕獲された磁壁に短いパルス磁場を印加し、くぼみから磁壁をたたき出す。磁壁は二つ目の大きなくぼみに捕獲されるかたちで無磁場下でも運動を続ける。この際、スピン起電力機構により磁気エネルギーを起電力として放出する。マイクロマグネティックシミュレーションにより形状加工を施した磁性細線中の磁壁移動を解析し、その際に放出されるスピン起電力の計算を行う。

口頭

磁性体の内部エネルギーによるスピン起電力

山根 結太; 家田 淳一; 大江 純一郎*; 前川 禎通

no journal, , 

強磁性体中に、時間・空間に依存する磁化ダイナミクスを誘起することで起電力が発生することが知られており、スピン起電力と呼ばれる。磁場誘起磁壁移動はスピン起電力が生じる一つの典型的な例であり、このときのスピン起電力の系統的な性質についての研究が求められている。本研究では、幾つかの物質・形状における磁化ダイナミクスとそれに伴うスピン起電力の数値解析を示した。そして、断面積が非一様な強磁性細線を用いることで、外場を印加することなく起電力を生成しうることを明らかにした。

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