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渡邊 成*; 荒木 康史; 小林 浩二*; 小澤 耀弘*; 野村 健太郎*
Journal of the Physical Society of Japan, 91(8), p.083702_1 - 083702_5, 2022/08
被引用回数：3 パーセンタイル：58.88(Physics, Multidisciplinary)本論文では籠目格子上で構成される磁気秩序について、電子系の強束縛ハミルトニアンに基づいて数値計算を行い、電子の充填率及びスピン軌道相互作用の強さに対する依存性を調べる。籠目格子上では電子の充填率によって、強磁性及びノンコリニア反強磁性秩序のいずれも取りうることを示す。これらの磁気秩序は、籠目格子に特有のディラック分散や平坦バンドといったバンド構造に由来するものである。更に、Kane-Mele型やRashba型のスピン軌道相互作用を導入することで、実効的なDzyaloshinskii-Moriya相互作用が誘起され、磁気スパイラルや反強磁性120度構造等のノンコリニアな磁気秩序が安定化されることを示す。本研究によって得られた磁気秩序の相構造に関する知見は、ワイル・ディラック電子を示すような籠目格子の層状物質群における磁気秩序の起源を理解するのに役立つと期待される。
山ノ内 道彦*; 荒木 康史; 酒井 貴樹*; 植村 哲也*; 太田 裕道*; 家田 淳一
Science Advances (Internet), 8(15), p.eabl6192_1 - eabl6192_6, 2022/04
被引用回数：7 パーセンタイル：73.76(Multidisciplinary Sciences)強磁性ワイル金属SrRuOにおける、電流によって磁壁に作用する大きな有効磁場
を報告する。電流密度に対するの比率は、非単調な温度依存性を示し、従来のスピン移行トルクおよびスピン軌道トルクの比率を上回っていることが示される。この増強効果は、磁壁に電場が印加されたときに、ワイル点の周りに出現するワイル電子によって磁壁に作用するトポロジカルホールトルク(THT)によってよく説明される。電流密度に対するTHTから生じるの比率は、金属系で報告されているスピン移行トルクおよびスピン軌道トルクから生じるものよりも1桁以上高く、THTが スピントロニクスデバイスにおける磁化の操作においてエネルギー効率の良い方法を提供する可能性があることを示している。
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。
竹内 祐太郎*; 山根 結太*; Yoon, J.-Y.*; 伊藤 隆一*; 陣内 佛霖*; 金井 駿*; 家田 淳一; 深見 俊輔*; 大野 英男*
Nature Materials, 20(10), p.1364 - 1370, 2021/10
被引用回数：81 パーセンタイル：98.79(Chemistry, Physical)Electrical manipulation of magnetic materials by current-induced spin torque constitutes the basis of spintronics. Recent studies have demonstrated electrical controls of ferromagnets and collinear antiferromagnets by spin-orbit torque (SOT). Here we show an unconventional response to SOT of a non-collinear antiferromagnet, which has recently attracted great attention owing to large anomalous Hall effect despite vanishingly small net magnetization. In heterostructures with epitaxial non-collinear antiferromagnet MnSn, we observe a characteristic fluctuation of Hall resistance, which is attributed to a persistent rotation of chiral-spin structure of MnSn driven by SOT. We find that level of the fluctuation that varies with sample size represents the number of magnetic domains of Mn
Sn. In addition, MnSn thickness dependence of critical current reveals that SOT generated by small current density below 20 MA cm
effectively acts on the chiral-spin structure even in thick MnSn above 20 nm. The results provide unprecedented pathways of electrical manipulation of magnetic materials, offering new-concept spintronics devices with unconventional functionalities and low-power consumption.
紅林 大地*; 荒木 康史; 野村 健太郎*
Journal of the Physical Society of Japan, 90(8), p.084702_1 - 084702_9, 2021/08
被引用回数：8 パーセンタイル：61.42(Physics, Multidisciplinary)本研究では、磁性ワイル半金属において電流および電圧によって誘起されるスピントルクの理論を導出する。磁性ワイル半金属においては、非自明なトポロジーを持つバンド構造に由来して磁化と電子輸送が結合し、スピントロニクスに適した性質を示す。本論文では、磁化構造の勾配および電流に関する摂動展開に基づき、電流によって誘起されるスピントルクを網羅的に導出する。このトルクはスピン軌道トルク及びスピン移行トルクを内包するものである。更に、電圧(電位差)によって誘起されるトルクも微視的に導出し、このトルクがスピンと軸性カレントの対応関係、及びカイラルアノマリーに由来するものであることを示す。
山 正樹*; 立野 雅大*; 加藤 岳生*; 松尾 衛
Physical Review B, 104(5), p.054410_1 - 054410_9, 2021/08
被引用回数：7 パーセンタイル：51.66(Materials Science, Multidisciplinary)We theoretically consider spin pumping in a junction between a ferromagnetic insulator (FI) and a two-dimensional electron gas (2DEG) in which the Rashba and Dresselhaus spin-orbit interactions coexist. Using second-order perturbation theory, we derive an increase in linewidth in the case of an interfacial exchange coupling in a ferromagnetic resonance (FMR) experiment. We clarify how the enhancement of Gilbert damping depends on the resonant frequency and spin orientation of the FI. We show that this setup of an FMR experiment can provide information on the spin texture of 2DEG at the Fermi surface.
荒木 康史; 三澤 貴宏*; 野村 健太郎*
Physical Review Research (Internet), 3(2), p.023219_1 - 023219_15, 2021/06
本論文では、トポロジカルディラック半金属(TDSM)表面のギャップレス状態を介した、長距離スピン伝送を理論面から提案する。次世代のスピントロニクス素子の構築のためには、散逸の少ないスピン流を実現することが必要である。主要なスピン流のキャリアは金属中の伝導電子や磁性絶縁体中のスピン波であるが、これらはジュール熱やギルバート緩和により伝播距離が制限される問題がある。本研究ではTDSM(CdAs
, NaBi等)のスピン・ヘリカルな表面状態が、乱れに対して頑強である性質を用いて、低散逸で長距離のスピン輸送を提案する。2つの磁性絶縁体とTDSMの接合系を考え、一方の磁性体の磁化ダイナミクスにより、TDSM表面を介して他方の磁性体に注入されるスピン流に注目する。表面における輸送理論と、格子模型による実時間発展シミュレーションを併用することにより、TDSM表面を流れるスピン流は準量子化された値をとり、その値は界面の微視的な結合の構造によらないことを示す。さらに、このスピン流は長距離においても乱れに対して強いことを示し、TDSMがスピントロニクス素子へ応用可能な表面状態をもつことを提案する。
荒木 康史; 末永 大輝*; 鈴木 渓; 安井 繁宏*
Physical Review Research (Internet), 3(2), p.023098_1 - 023098_17, 2021/05
相対論的フェルミオンのスピンは軌道自由度と強い相関を持つ。このような相対論的粒子と非相対論的粒子が混在する場合の効果として、本研究ではスピン-軌道帯磁率に着目する。スピン-軌道帯磁率は軌道磁場(粒子の軌道運動に対してベクトルポテンシャルとして働く磁場の効果)に対するスピン偏極の応答として定義されるものであり、スピン-軌道相互作用に起因するものである。理論解析の結果、相対論的粒子と非相対論的粒子の混成がある場合、スピン-軌道帯磁率はバンド混成点近傍のフェルミエネルギーで変化することが示された。この混成効果により、磁場下では非相対論的粒子のスピン偏極も誘起されることが明らかになった。さらにこの混成効果は、熱平衡を破るような動的な磁場の摂動下では増強されることを明らかにした。スピン-軌道帯磁率に対するこれらの効果は、固体中のディラック電子に対する結晶対称性の破れや不純物ドープ、および相対論的重イオン衝突における軽いクォークと重いクォークの混成といった状況下で、実験的に実現されうることを議論する。
Ramos, R.*; 巻内 崇彦*; 吉川 貴史*; 大門 俊介*; 大柳 洸一*; 齊藤 英治
Applied Physics Letters, 117(24), p.242402_1 - 242402_5, 2020/12
被引用回数：1 パーセンタイル：5.55(Physics, Applied)We investigated the magnetotransport properties of mesoscopic platinum nanostructures (wires and rings) with sub-100 nm lateral dimensions at very low temperatures. Despite the strong spin-orbit interaction in platinum, oscillation of the conductance as a function of the external magnetic field due to quantum interference effects was found to appear. The oscillation was decomposed into Aharonov-Bohm periodic oscillations and aperiodic fluctuations of the conductance due to a magnetic flux piercing the loop of the ring and the metal wires forming the nanostructures, respectively. We also investigated the magnetotransport under different bias currents to explore the interplay between electron phase coherence and spin accumulation effects in strong spin-orbit conductors.
河裾 厚男
放射線と産業, (139), p.18 - 22, 2015/12
スピン偏極陽電子ビームを用いた強磁性材料のバンド構造に関する研究、及び、最表面における電流誘起スピン蓄積に関する研究について平易に解説する。スピン偏極陽電子をハーフメタルとして期待されるCo
MnSiとCoMnAlに打込み、消滅
線のドップラー拡がりスペクトルを観測した。その結果、これら合金のバンド構造がCo-Mn間の無秩序化に対して安定であることが知られた。また、バンド理論との比較からCoMnSiが高いハーフメタル性を持っていることが分かった。Au, Cu, Pt, Pd, TaそしてW薄膜表面における電流誘起スピン蓄積をポジトロニウム消滅法により観測した。その結果、AuとCuではスピン蓄積が非常に小さいのに対して、それら以外の薄膜については数%オーダーのスピン蓄積が見られた。また、PtとPd対WとTaでは、同じ電流の向きに対して誘起されるスピン偏極の方向が異なることが分かった。これらは電流誘起スピン蓄積が、スピン軌道相互作用によってもたらされていることを示唆している。
-type ordered alloys TM-X(TM=Mn, Fe, Co, X=Pt, Au)山口 正剛; 日下部 鉄也*; 弓野 健太郎*; 浅野 攝郎*
Physica B; Condensed Matter, 270, p.17 - 34, 1999/00
被引用回数：10 パーセンタイル：51.95(Physics, Condensed Matter)3d遷移金属と貴金属を1層ごとに積層した構造のL1型規則合金TM-X(TM=Mn,Fe,Co,X=Pt,Au)の基底状態の電子構造を、局所密度近似に基づくLMTO-ASA法を用いた第一原理計算によって計算した。得られたエネルギー固有値と波動関数から、線形応答理論に基づく式を用いて光学伝導度やカー回転角を計算した。詳しい解析により、カースペクトルの形状を支配しているいくつかの重要な光学遷移を見いだした。例えば、(1)FeAuで4eVに見られるピークの主な起源は、Au(5d$↓$)
Fe(3d$↓$)遷移において現れるAuの大きなスピン軌道相互作用にあること、(2)この遷移はFeAu以外でも見られるが、遷移の終状態が減っていくMn,Fe,Coの順に弱くなっていくこと、(3)TM-Ptでは3-4eVでPt上のP$↓$d$↓$遷移が強く、Pt(P)バンドのスピン軌道分裂の効果が現れて(1)の遷移とは逆向きの作用をするため、特にCoPtで3-4eV付近のカー回転角が大きくなること、などである。
型規則合金の磁気光学Kerr効果の第一原理計算山口 正剛; 日下部 鉄也*; 弓野 健太郎*; 浅野 攝郎*
日本応用磁気学会誌, 22(11), p.1401 - 1406, 1998/00
異なる原子を一層ずつ積層した構造をもつL1型規則合金TM-X(TM=Mn,Fe,Co,X=Pt,Au)の磁気光学カー(Kerr)スペクトルを第一原理から計算した。計算結果は実験とよく一致した。また、計算された電子構造を詳しく解析し、カースペクトルの形状がどのような光学遷移に由来するのかを明らかにした。例えば、(1)FeAuの場合に4eV付近に現れるピークは、minority-spin bandにおけるAuの5d-bandからFeの3d-bandへの遷移において、Auの強いスピン軌道相互作用の効果が現れるために生じること、(2)Pt系の物質では、Ptが少し磁化されることにより、Ptのminority spin band側の5d-bandに少し空いている部分ができ、ここを終状態とするPd遷移が強くなってカー回転角を増大させる効果があること、などが分かった。
荒木 康史
no journal, ,
The main focus of this presentation is the theory of spin current generation in topological Dirac semimetals (TDSMs), the newly-found three-dimensional topological materials. TDSMs are characterized by pair(s) of doubly-degenerate nodal points (Dirac points) in their momentum-space band structures, which are observed by angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) in NaBi and CdAs. I focus on a lattice-strained TDSM, to obtain an additional contribution to the spin current generation. I propose that an electric field applied to the strained TDSM gives rise to a nonlinear spin Hall current, namely the spin current perpendicular to and quadratic in the electric field. The spin current response is obtained by the Boltzmann transport theory, regarding the strain as a pseudomagnetic field for the Dirac electrons. This nonlinear effect implies that one can obtain a rectified (dc) pure spin current out of an alternating (ac) electric field, which renders the TDSM an efficient spin-current injector.
家田 淳一; 山根 結太*
no journal, ,
We present an analytical study on the spinmotive force (SMF) generated by translational motion of magnetic Skyrmion. A SMF refers to an electrical voltage emerged due to 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 obtain the expression for the SMF, taking into account the Rashba and Dresselhaus spin-orbit couplings (SOCs) as well as the so-called 
term arising from the nonadiabaticity in the electron spin dynamics. To this end, we derive a general formula for the SMF including the effect of the Dresselhaus SOC. Our results reveal the dependence of the SMF on the Skyrmion profile and the SOC parameters, which offers an estimation of the SMF for a given experiment.
荒木 康史
no journal, ,
Topological Dirac seimetals (TDSMs) form a new class of three-dimensional topological semimetals, characterized by pair(s) of doubly-degenerate nodal points (Dirac points) in their momentum(k)-space band structures. They show the intrinsic spin Hall effect (SHE), which comes from the k-space topology around the Dirac points. This spin Hall conductivity is topologically protected, while it cannot be easily tuned or enhanced at linear response. In order to overcome this problem, I theoretically propose that an electric field applied to a lattice-strained TDSM gives rise to an additional "nonlinear spin Hall current", namely the spin current perpendicular to and quadratic in the electric field. The spin current response is obtained by the Boltzmann transport theory, regarding the strain as a pseudomagnetic field for the Dirac electrons. The nonlinear SHE arises as the hybrid of the regular Hall effect driven by the pseudomagnetic field (strain) and the anomalous Hall effect from the k-space topology. This behavior implies that one can obtain a rectified (dc) pure spin current out of an alternating (ac) electric field, which renders the TDSM an efficient spin-current injector.
家田 淳一; 山本 慧
no journal, ,
磁性体/非磁性体界面に生じる界面スピン軌道相互作用は、磁性体層に新たな磁気異方性をもたらし、非磁性体層の選択や外部電界の印加による磁気特性の制御を可能とする。近年、原子層制御が可能なファンデアワールス(vdW)物質を異種物質に貼り合わせることで、新たな物性や機能を発現する研究が注目を集めている。これまで、光学特性や伝導特性の変調、非従来型超伝導の発現などの報告がなされているが、wdW物質との異種接合による磁性体の制御に関する研究はまだほとんど開拓されていない。そこで本研究では、ゼーマン型と呼ばれるvdW物質特有のスピン軌道相互作用が、隣接する強磁性体に導く磁気異方性を、有効模型に基づく解析により理論的に検討する。具体的な系として、2H結晶多型の遷移金属ダイカルコゲナイドと単純な一様強磁性体の接合系を想定し、そのバンド構造を再現する強束縛模型を用いて磁気異方性エネルギーの計算を行った。本講演では、磁気異方性タイプ(面直・面内)のフェルミ準位依存性、強磁性体層との交換結合定数への依存性の計算例を紹介し、vdW物質による微小磁性体制御の可能性について検討する。
家田 淳一
no journal, ,
反強磁性体でのRashba型垂直磁気異方性について理論的に研究を行った成果を報告する。Rashba型スピン軌道相互作用が誘起する垂直磁気異方性がありうること、非対称ナノ構造磁性体にて効果が増大されることについてモデルを用いて説明し、反強磁性体でも効果が増大されることを議論する。
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.
家田 淳一; 山根 結太*
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。本研究では、スピン軌道相互作用の影響を調べ、素子性能の普遍的な変調効果が見いだされたので報告する。
荒木 康史; 末永 大輝*; 鈴木 渓; 安井 繁宏*
no journal, ,
物質中の電子のバンド構造においては、しばしば相対論的なディラック・ワイルノード構造が現れる。ディラック・ワイルノード構造は必ずしも単独で現れるわけではなく、他のバンドとの重なり・混成を示す電子系が多く見られる。このようなバンド混成の下で働く相対論的効果を理解するための指標として、本研究では「スピン-軌道交差帯磁率」に着目した。スピン-軌道交差帯磁率は磁場の軌道効果(ベクトルポテンシャル)に対するスピン分極の応答であり、電子系に働く相対論的効果(スピン-軌道相互作用)に依存する。本講演ではディラック粒子と非相対論的バンドを持つ粒子が混成した系を対象とし、その混成系におけるスピン-軌道交差帯磁率に関する理論研究の成果について報告する。我々はゼロ周波数の磁場下での熱平衡状態に基づいた平衡帯磁率と、有限周波数の磁場に対する動的帯磁率をそれぞれ評価し、バンド混成の下でこれらの比較を行った。その結果、特に動的帯磁率においては、バンド混成点近傍においてディラックバンドのみの交差帯磁率から大きなずれを示すことが明らかになった。これはバンド間遷移の効果に起因するものであり、ディラック粒子のスピン-運動量ロッキングの効果が、バンド混成により非相対論的バンドに移行したものと解釈できる。相対論的粒子と非相対論的粒子の混成系として、重イオン衝突実験等におけるクォーク物質に対する適用例についても述べる。
