Theory of Emergent Inductance with Spin-Orbit Coupling Effects

山根 結太*; 深見 俊輔*; 家田 淳一

Physical Review Letters, 128(14), p.147201_1 - 147201_6, 2022/04

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.147201

らせん磁性体で最近発見された創発インダクタンスの理論を、空間反転対称性が破れた場合に生じるスピン軌道相互作用を考慮に入れることで任意の磁気テクスチャに拡張する。強磁性体中電子の動的アハロノフ-キャッシャー位相に基づく定式化で、スピン軌道創発インダクタンスの新概念提案を行う。スピン軌道創発インダクタンスは、空間的に一様な磁化でも磁性とスピン軌道相互作用の共存で普遍的に生じ、広範囲の温度と周波数で安定した動作を実現する。空間反転非対称性を備えた強磁性体を含む広く研究されている実験系を、本研究が提供する新しい視点で再考することで、超広帯域周波数範囲でのスピン軌道物理学とスピントロニクスベースの電力管理の研究に新しいパラダイムを開くことにつながる。

Intrinsic and extrinsic tunability of Rashba spin-orbit coupled emergent inductors

家田 淳一; 山根 結太*

Physical Review B, 103(10), p.L100402_1 - L100402_5, 2021/03

AA2020-0554.pdf:0.77MB

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.L100402

The emergent induction of spiral magnets that was proposed [Nagaosa, Jpn. J. Appl. Phys. 58, 120909 (2019)] and recently demonstrated [Yokouchi et al., Nature 586, 232 (2020)] is shown to be further extended by a comprehensive treatment of the Rashba spin-orbit coupling and the electron spin relaxation that affect the underlying processes of spin-transfer torque and spinmotive force. Within adiabatic approximation, we show that the output voltages are widely altered intrinsically via the Rashba effect whereas extrinsically via the nonadiabatic correction due to the spin relaxation and sample disorder. The findings respectively clarify the origins for the amplitude modulation and sign change of the emergent inductance with tunability by electrical gating and careful sample preparation.

Spinmotive force in the out-of-plane direction generated by spin wave excitations in an exchange-coupled bilayer element

Zhou, W.*; 関 剛斎*; 今村 裕志*; 家田 淳一; 高梨 弘毅*

Physical Review B, 100(9), p.094424_1 - 094424_5, 2019/09

AA2019-0172.pdf:1.08MB

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.100.094424

The generation of the spinmotive force (SMF) requires the temporal and spatial variations of the magnetic moments. We explore an approach to satisfy this requirement by creating asymmetry in a thin film structure along the out-of-plane direction, through the use of an exchange-coupled 1-FePt / NiFe bilayer element. As the spin wave is excited by rf magnetic field, a continuous dc voltage signal along the out-of-plane direction of the bilayer element appears. The sign of the voltage signal and its microwave power dependency agree with the theoretical framework of the SMF. The corresponding spin wave modes are revealed by carrying out the micromagnetic simulation. Our results demonstrate the generation of the SMF using a vertically structured element in addition to previously reported in-plane structured devices.

磁場勾配により駆動された磁気バブル配列の運動によるスピン起電力

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

no journal, , 

磁場勾配のもとにおかれた磁気バブル配列が電圧(スピン起電力)を生成することを示す。発生する電圧の理論式を導出し、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。

Spintronic micro-power generation

家田 淳一

no journal, , 

スピントロニクスは、凝縮系における電子の電荷とスピンの自由度を利用して、基礎研究と技術応用の両面において新しい展開を生み出すことを目的としている。スピン軌道相互作用、および伝導電子と磁気モーメントの交換相互作用が協働することで、スピン流の生成、制御、検出を可能とするような新現象が次々に生み出されている。本講演において、スピン流に基づくマイクロ発電の新手法について我々の取り組みを紹介する。

Spin-energy conversion via emergent electromagnetic fields

家田 淳一; 山根 結太*; 前川 禎通

no journal, , 

When nonuniform magnetization textures such as magnetic domain walls and Skyrmions are in motion emergent electromagnetic fields acting on conduction electron spin are induced. Spinmotive force is one of the emerging effects which allows direct conversion of magnetic energy to electric voltage in magnetic nanostructures. Motivated by recent extensive studies on spin-orbitronics, in which spin-orbit couplings (SOCs) play significant roles, the concept of spinmotive force has been extended by incorporating such effects. As an important example, we investigate spinmotive force generated by the translational motion of magnetic Skyrmion. We obtain the expression for the spinmotive force, considering the Rashba and Dresselhaus SOCs as well as the so-called term arising from the nonadiabaticity in the electron spin dynamics. Our results reveal the dependence of the spinmotive force on the Skyrmion profile and the SOC parameters, which offers an estimation of the spinmotive force for a given experiment. The estimation of SOC contributions in spinmotive force is particularly important when one designs the so-called emergent inductor proposed in since it uses spiral magnets that are inevitably accompanied by sizable SOCs.

ナノ磁気構造に創発するスピン起電力とその応用

家田 淳一

no journal, , 

強磁性金属中の非一様磁化構造が時間変化すると創発電磁場が生じスピン起電力が得られる。最近、らせん磁性体に交流電流を流すことで得られるスピン起電力が、インダクタとして作用する理論提案がなされごく最近実験的に観測された。この「創発インダクタ」は、コイルによるインダクタとサイズ依存性が異なり、より小さい素子ほど大きな効果が期待される。本講義前半では、スピン起電力のあらましからスピン軌道相互作用の影響までを含む当該テーマの全体像をつかむ。以上を踏まえ、後半では、創発インダクタの解説を行うとともに、スピン軌道相互作用による素子性能の様々な変調効果を紹介する。

Spinmotive force approach on the physics of emergent inductors

家田 淳一

no journal, , 

We present a theory of emergent inductors based on two well-established spintronics effects: spin-transfer torque (STT) and spinmotive force (SMF) within the adiabatic approximation of magnetization dynamics. The focus is on the nonadiabatic contributions of the STT and SMF, which can explain the unique characteristics such as the negative value and temperature dependence of the emergent inductance observed recently.

周期ポテンシャル中の磁壁運動に伴う創発インダクタンス

家田 淳一; 山根 結太*

no journal, , 

電流によるスピントルクで磁化構造が運動状態になると、その反作用としてスピン起電力が生じる。この一連の過程を回路に生じたインダクタンスと見なす、いわゆる「創発インダクタンス」に注目が集まっている。目下の課題として、インダクタンスの符号が正負どちらも観測されており、その物理機構の解明が求められている。本講演では、モデル系として周期ポテンシャル中にトラップされた磁壁の交流電流駆動を集団座標の方法で調べ、上述の課題に対する見解を示す。

ナノ構造磁性体における創発電磁応答の周波数特性

家田 淳一; 荒木 康史; 山根 結太*

no journal, , 

s-d交換結合は、強磁性導体および強磁性/非磁性界面等ナノ構造磁性体において、伝導電子スピンと磁化の間で角運動量とエネルギーの移行をもたらし、各々スピン移行トルク(STT)とスピン起電力(SMF)といった創発電磁応答を導く。近年このSTTとSMFを組み合わせることで、らせん磁性体による「創発インダクタ(EI)」が理論提案された。らせん磁性体に電流を流すと、伝導電子スピンとのSTTを介して、らせん磁化構造に磁気エネルギーが蓄えられる。さらに、らせん磁化構造のダイナミクスによってSMFが生じ、逆電圧を入力電流が感じることでインダクタンスが得られる。EIの顕著な特徴は、インダクタンスが電流の流れる素子断面積に反比例する点である。これは、コイルの断面積に比例する従来のインダクタンスと本質的に異なり、インダクタの微細化に革新をもたらす可能性を有する。これまでにらせん磁性体GdRuAlによる低温(T 20K)でのEI原理の実証、らせん面の並進運動と傘状変形という二つの励起モードが正負のリアクタンスに寄与することの理論的解明、らせん磁性体YMnSnにおける室温創発インダクタンスの観察、が報告されている。また、最近著者らはEIの概念拡張を行い、スピン軌道結合を起源としたEIや、絶縁体を使ったEIの実施形態を提案している。今回、これまでに検討されてきた様々なナノ構造磁性体におけるEIについて、特に周波数特性に関する比較を行い、その物理的な意義を議論する。