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Lyons, T. P.*; Puebla, J.*; 山本 慧; Deacon, R. S.*; Hwang, Y.*; 石橋 幸治*; 前川 禎通*; 大谷 義近*
Physical Review Letters, 131(19), p.196701_1 - 196701_6, 2023/11
被引用回数：0Harnessing the causal relationships between mechanical and magnetic properties of van der Waals materials presents a wealth of untapped opportunity for scientific and technological advancement, from precision sensing to novel memories. This can, however, only be exploited if the means exist to efficiently interface with the magnetoelastic interaction. Here, we demonstrate acoustically-driven spin-wave resonance in a crystalline antiferromagnet, chromium trichloride, via surface acoustic wave irradiation. The resulting magnon-phonon coupling is found to depend strongly on sample temperature and external magnetic field orientation, and displays a high sensitivity to extremely weak magnetic anisotropy fields in the few mT range. Our work demonstrates a natural pairing between power-efficient strain-wave technology and the excellent mechanical properties of van der Waals materials, representing a foothold towards widespread future adoption of dynamic magneto-acoustics.
Liao, L.*; Puebla, J.*; 山本 慧; Kim, J.*; 前川 禎通*; Hwang, Y.*; Ba, Y.*; 大谷 義近*
Physical Review Letters, 131(17), p.176701_1 - 176701_6, 2023/10
被引用回数：0Phonons and magnons are engineered by periodic potential landscapes in phononic and magnonic crystals, and their combined studies may enable valley phonon transport tunable by the magnetic field. Through nonreciprocal surface acoustic wave transmission, we demonstrate valley-selective phonon-magnon scattering in magnetoelastic superlattices. The lattice symmetry and the out-of-plane magnetization component control the sign of nonreciprocity. The phonons in the valleys play a crucial role in generating nonreciprocal transmission by inducing helical strains that couple with the magnons. The transmission spectra show a nonreciprocity peak near a transmission gap, matching the phononic band structure. Our results open the way for manipulating valley phonon transport through periodically varying magnon-phonon coupling.
山野井 一人*; 榊原 有理*; 藤本 純治*; 松尾 衛; 能崎 幸雄*
Applied Physics Express, 16(6), p.063004_1 - 063004_6, 2023/06
被引用回数：0 パーセンタイル：0(Physics, Applied)We report a large modulation of spin pumping using temperature-induced magnetic phase transitions in c-axis oriented single crystalline dysprosium (Dy). From the temperature variation of the magnetic susceptibility, transitions from paramagnetic (PM) to ferromagnetic (FM) phases via antiferromagnetic (AFM) phase are clearly observed in the Dy. Unlike polycrystalline Dy, the spin pumping of both PM- and AFM-Dy are strongly suppressed owing to the increased non-dissipative backflow of spin current by the long-range spin transport, although two orders of magnitude difference exist between FM- and AFM-phases.
荒木 康史; 家田 淳一
Journal of the Physical Society of Japan, 92(7), p.074705_1 - 074705_9, 2023/06
被引用回数：0 パーセンタイル：0(Physics, Multidisciplinary)トポロジカル絶縁体は電子が波数空間でトポロジカル構造を持つことにより、様々な非自明な電磁応答現象を示す。一方で、現在用いられているインダクタ・キャパシタの動作原理は、マクスウェル方程式によって記述される古典電磁気学に基づいている。本研究では絶縁体中のトポロジカル電磁応答が、磁性体中の磁化ダイナミクスと組み合わさることにより、インダクタンス・キャパシタンスを生み出すことを示す。まず、トポロジカル場の理論に基づいて、複素インピーダンスを導出する理論的枠組みを提案する。次にその理論に基づき、接合系のセットアップでインダクタンス・キャパシタンスが発現することを示す。金属磁性体における創発インダクタンスに関する先行研究と比較すると、トポロジカル絶縁体はジュール熱を抑制できるため、素子内での電力損失を大幅に抑制することができる。これによって、トポロジカル電磁応答に起因したインダクタンスは弱電流・高周波数での動作を可能とし、更に電力効率の面でも高い品質係数(Q値)を実現できることを示す。
Lee, S.*; 仲田 光樹; Tchernyshyov, O.*; Kim, S. K.*
Physical Review B, 107(18), p.184432_1 - 184432_12, 2023/05
被引用回数：4 パーセンタイル：90.23(Materials Science, Multidisciplinary)超対称量子力学に基づき、反強磁性スカーミオン構造を有する磁壁中のマグノンのトポロジカル量子輸送物性を明らかにする。スカーミオン型の磁気構造を有する磁壁中を伝搬するマグノンは、一種のゲージ場として作用する有効磁場を獲得する。そこで、この有効磁場中でのマグノンの反射・屈折現象を超対称量子力学に基づいて解析し、その伝搬および束縛マグノン状態を明らかにする。そして、ラウダウアー公式を用いて、磁壁のカイラリティが増加するにつれてマグノンによる熱流が減少することを明らかにする。本研究はスピンホール効果を活用した熱流の制御方法を理論的に提案する。
山 正樹*; 松尾 衛; 加藤 岳生*
Physical Review B, 107(17), p.174414_1 - 174414_15, 2023/05
被引用回数：1 パーセンタイル：0(Materials Science, Multidisciplinary)We theoretically consider the effect of vertex correction on spin pumping from a ferromagnetic insulator (FI) into a two-dimensional electron gas (2DEG) in which the Rashba and Dresselhaus spin-orbit interactions coexist. The Gilbert damping in the FI is enhanced by elastic spin-flipping or magnon absorption. We show that the Gilbert damping due to elastic spin-flipping is strongly enhanced by the vertex correction when the ratio of the two spin-orbit interactions is near a special value at which the spin relaxation time diverges while that due to magnon absorption shows only small modification. We also show that the shift in the resonant frequency due to elastic spin-flipping is strongly enhanced in a similar way as the Gilbert damping.
仲田 光樹; 鈴木 渓
Physical Review Letters, 130(9), p.096702_1 - 096702_6, 2023/03
被引用回数：2 パーセンタイル：61.99(Physics, Multidisciplinary)量子場の真空ゆらぎによって創発されるカシミア効果は、古典力学には対応物が存在しないという意味において真に量子力学的な効果である。しかし、カシミア効果はこれまでフォトン(光子)を舞台に研究されており、磁性体中でのカシミア効果、特にそのカシミアエネルギーの膜厚依存性については十分な理解は得られていない。そこで本研究では格子場の理論の観点から、磁性絶縁体中のスピン波を量子化したマグノンに着目し、マグノン量子場により創発されるカシミア効果「マグノン・カシミア効果」及びその膜厚依存性を明らかにする。更に反強磁性絶縁体だけでなくフェリ磁性絶縁体(例:YIG)においてもマグノン・カシミア効果が創発することを示し、スピントロニクス分野で中心的な役割を担うYIGがカシミア効果の工学的応用を目指すカシミアエンジニアリング分野にとっても絶好の舞台であることを明らかにする。本研究は、マグノン・カシミアエンジニアリングの基礎学理の構築に大きく貢献することが期待される。
石川 卓門*; 松尾 衛; 加藤 岳生*
Physical Review B, 107(5), p.054426_1 - 054426_9, 2023/02
被引用回数：0 パーセンタイル：0(Materials Science, Multidisciplinary)We study the temperature dependence of spin-Hall magnetoresistance (SMR) in antiferromagnetic-insulator/metal bilayer systems. We calculate the amplitude of the SMR signal by using a quantum Monte Carlo simulation and examine how the SMR depends on the amplitude of the spin, thickness of the antiferromagnetic-insulator layer, and randomness of the exchange interactions. Our results for simple quantum spin models provide a useful starting point for understanding SMR measurements on atomic layers of magnetic compounds.
Lee, O.*; 山本 慧; 埋田 真樹; Zollitsch, C. W.*; Elyasi, M.*; 吉川 貴史*; 齊藤 英治; Bauer, G. E. W.*; 紅林 秀和*
Physical Review Letters, 130(4), p.046703_1 - 046703_6, 2023/01
被引用回数：5 パーセンタイル：80.44(Physics, Multidisciplinary)We experimentally and theoretically demonstrate that nonlinear spin-wave interactions suppress the hybrid magnon-photon quasiparticle or "magnon polariton" in microwave spectra of an yttrium iron garnet film detected by an on-chip split-ring resonator. We observe a strong coupling between the Kittel and microwave cavity modes in terms of an avoided crossing as a function of magnetic fields at low microwave input powers, but a complete closing of the gap at high powers. The experimental results are well explained by a theoretical model including the three-magnon decay of the Kittel magnon into spin waves. The gap closure originates from the saturation of the ferromagnetic resonance above the Suhl instability threshold by a coherent back reaction from the spin waves.
山本 慧; 前川 禎通*
Annalen der Physik, 11 Pages, 2023/00
被引用回数：0 パーセンタイル：0(Physics, Multidisciplinary)We derive a general expression for the magnetostatic field generated by mechanical deformations to a ferromagnetic material in the continuum description. Linearization with respect to the displacement vector is shown to be well defined. To demonstrate the use of the formulation, we discuss two examples. Firstly, a complete derivation of the magneto-rotation coupling for a uniformly magnetized film is given. Secondly, the lowest asymmetric mode of Lamb waves propagating through a magnetic vortex is shown to induce in-plane magnetostatic field localized around the vortex core.
大湊 友也*; 山影 相*; 松尾 衛
Physical Review B, 106(16), p.L161406_1 - L161406_6, 2022/10
被引用回数：7 パーセンタイル：73.14(Materials Science, Multidisciplinary)We present a theoretical investigation of anisotropic superconducting spin transport at a magnetic interface between a 
-wave superconductor and a ferromagnetic insulator. Our formulation describes the ferromagnetic resonance modulations due to spin current generation depending on spin-triplet Cooper pair, including the frequency shift and enhanced Gilbert damping, in a unified manner. We find that the Cooper pair symmetry is detectable from the qualitative behavior of the ferromagnetic resonance modulation. Our theory paves the way toward anisotropic superconducting spintronics.
藤本 純治*; 船木 博志*; 小椎八重 航*; 松尾 衛; 前川 禎通*
IEEE Transactions on Magnetics, 58(8), p.1500407_1 - 1500407_7, 2022/08
被引用回数：0 パーセンタイル：0(Engineering, Electrical & Electronic)Motivated by the recent experiment done by Yu et al. [X. Z. Yu, et. al., Sci. Adv., 6, 25, eaaz9744 (2020)] on magnetic skyrmion creation and annihilation by electric currents in FeGe devices with a notch structure, we examine the interaction between the electric current vorticity near the notch and localized spins, and obtain three effects of the current vorticity on the localized spins. The first one is an effective Zeeman field induced by the current vorticity. This effective Zeeman field is responsible for skyrmion creation. The second effect is a vorticity-induced Dzyaloshinskii-Moriya (DM) interaction with the direction of the DM vector being parallel to the vorticity direction and is different from the vector of the intrinsic DM interaction. This vorticity-induced DM interaction makes the skyrmions distorted. The third effect is a spin current due to the gradient of the vorticity and the spin current drives the magnetic skyrmions far from the notch. Our theory opens a new path to design the magnetic textures by using structural settings.
Puebla, J.*; Hwang, Y.*; 前川 禎通*; 大谷 義近*
Applied Physics Letters, 120(22), p.220502_1 - 220502_9, 2022/05
被引用回数：18 パーセンタイル：92.05(Physics, Applied)Surface acoustic waves (SAWs) are elastic waves propagating on the surface of solids with the amplitude decaying into the solid. The well- established fabrication of compact SAW devices, together with well-defined resonance frequencies, places SAWs as an attractive route to manipulate the magnetization states in spintronics, all of which is made possible by the magnetostriction and magnetoelastic effects. Here, we review the basic characteristics of SAW devices and their interaction out-of-resonance and in-resonance with the magnetization in thin films. We describe our own recent results in this research field and closely related works and provide our perspectives moving forward.
仲田 光樹; 大沼 悠一*; Kim, S. K.*
Physical Review B, 105(18), p.184409_1 - 184409_7, 2022/05
被引用回数：2 パーセンタイル：34.67(Materials Science, Multidisciplinary)普遍的熱磁気法則「マグノンWiedemann-Franz則」が非線形応答領域において破れることを理論的に解明することに成功した。
仲田 光樹; 大沼 悠一*
Physical Review B, 105(14), p.144436_1 - 144436_7, 2022/04
被引用回数：0 パーセンタイル：0(Materials Science, Multidisciplinary)直線偏光レーザー照射下の磁性絶縁体接合系で創出されるマグノンスピン流の生成機構を明らかにする。
Elyasi, M.*; 齊藤 英治; Bauer, G. E. W.*
Physical Review B, 105(5), p.054403_1 - 054403_12, 2022/02
被引用回数：7 パーセンタイル：77.62(Materials Science, Multidisciplinary)Unconventional computing schemes based on bistable systems ("Ising spins") may supersede conventional computing paradigms. The "magnon parametron" is an Ising spin that forms as a result of parametric excitation of a ferromagnetic particle by microwaves beyond a certain threshold. This Ising spin becomes unstable at a second threshold power at which a high-frequency telegraph noise emerges. We explain the experimentally observed stochastic switching ("p-bit" characteristics) at room temperature by the Suhl instability of the uniform magnetization precession.
船戸 匠*; 松尾 衛
Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 540, p.168436_1 - 168436_7, 2021/12
被引用回数：3 パーセンタイル：25.69(Materials Science, Multidisciplinary)We theoretically study the mechanical induction of the spin density via the Rashba spin--orbit interaction (SOI). The spin density in the linear response to lattice distortion dynamics is calculated based on the microscopic theory. We reveal that there are two mechanisms of spin induction: one is the acoustic Edelstein effect (AEE) from the acceleration of the lattice dynamics and the other is caused by the Rashba spin--vorticity coupling (RSVC). We find that the AEE induces a more efficient spin-to-charge conversion in comparison with the conventional electric Edelstein effect. The induced spin density due to the RSVC is expressed as a Berry curvature-like quantity; therefore, it can be attributed to the spatial symmetry breaking due to the Rashba SOI. Our work demonstrates high-efficiency spin generation in Rashba systems.
荒木 康史; 家田 淳一
Physical Review Letters, 127(21), p.277205_1 - 277205_7, 2021/12
被引用回数：5 パーセンタイル：41.09(Physics, Multidisciplinary)強いスピン-軌道相互作用の下での電子系には、運動量空間内のトポロジーが発現する。この電子系トポロジーは磁性体中の磁気構造に対して、乱れや熱揺らぎに影響されない電場誘起トルクを与える。本研究では現象論的なトルクの分類に基づき、バンドトポロジーとトルクの間の直接的な関係を示す。内因性異常ホール効果と同様に、トルクにもまた、非平衡輸送電流に依らず異常速度に起因した内因的効果が現れる。特に本論文では、磁気構造内でのみ現れる内因的トルクの存在を明らかにし、これを「トポロジカルホールトルク(THT)」と呼ぶ。このTHTはバルク結晶中で現れ、界面や表面といった構造を用いる必要がないものである。数値モデルの計算に基づき、金属強磁性体中での従来のスピン移行トルクと比較して、このTHTは非常に大きなトルクを与えることを明らかにする。特に金属強磁性体
における実験で報告されていた巨大な電流誘起トルクは、このTHTとして理解できることを示す。
社本 真一; 家田 淳一
CROSS T&T, (69), p.35 - 39, 2021/10
J-PARC MLFの高強度中性子によりイットリウム鉄ガーネット結晶で、スピントロニクス関連研究に挑戦した内容について紹介する。
仲田 光樹
Physical Review B, 104(10), p.104402_1 - 104402_12, 2021/09
被引用回数：1 パーセンタイル：7.92(Materials Science, Multidisciplinary)光学的マグノンBarnett効果を活用することにより、反強磁性絶縁体中のネール磁気秩序相をスピン偏極させることができる。このスピン偏極由来の高周波マグノンを凝縮させて接合系を構成すると、非平衡マグノン凝縮体に特有の巨視的量子干渉効果により、スピンJosephson効果が創発することを理論的に解明した。特に、従来の強磁性絶縁体や反強磁性絶縁体中のネール磁気秩序相のものと比較して、スピンJosephson効果の振動周期が桁違いに短くなることを明らかにした。この理論的提案を具現化することにより、超高速スピン輸送を実現させることができると期待できる。
