Magnon dynamics in a Skyrmion-textured domain wall of antiferromagnets

Lee, S.*; 仲田 光樹; Tchernyshyov, O.*; Kim, S. K.*

Physical Review B, 107(18), p.184432_1 - 184432_12, 2023/05

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.107.184432

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。

Magnonic Casimir effect in ferrimagnets

仲田 光樹; 鈴木 渓

Physical Review Letters, 130(9), p.096702_1 - 096702_6, 2023/03

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.096702

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。

Violation of the magnonic Wiedemann-Franz law in the strong nonlinear regime

仲田 光樹; 大沼 悠一*; Kim, S. K.*

Physical Review B, 105(18), p.184409_1 - 184409_7, 2022/05

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.184409

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。

Optomagnonic Josephson effect in antiferromagnets

仲田 光樹

Physical Review B, 104(10), p.104402_1 - 104402_12, 2021/09

AA2021-0402.pdf:0.82MB

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.104.104402

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。

マグノンWiedemann-Franz則

仲田 光樹

固体物理, 56(8), p.429 - 439, 2021/08

AA2021-0370.pdf:1.54MB

マグノンを舞台とし、Bose粒子が満たす熱磁気法則「マグノンWiedemann-Franz (WF)則」を解説する。19世紀半ばあたりまで、熱を微小な粒子のようなものととらえる「熱素説」が信じられていた。1853年(嘉永6年)、黒船にのったペリーが浦賀に来航した年に、欧州ではWiedemannとFranzが、現在ではWF則として知られる普遍的熱電法則の礎となる、実験結果を報告した。このWF則は元来、Fermi統計に従う電子の物語である。それでは、Fermi粒子ではなく、Bose粒子の場合、対応する輸送法則は存在するのか。特にBose粒子版のWF則はどのように定式化され、どのような温度依存性を示すのか。この素朴で基礎的な問いについて、一つの知見を与え、総括する。

Intermode depolarization correlation of magnons

横井 直人*; 齊藤 英治

Physical Review B, 103(13), p.134401_1 - 134401_8, 2021/04

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.134401

Multimode magnon dynamics affected by demagnetizing fields has been discussed in terms of a Hamiltonian approach. In the multimode dynamics involving magnetization relaxation, inter-mode correlation of magnons is found to be formed spontaneously. The correlation suppresses the transverse magnetization dynamics, giving rise to depolarization correlation (DPC) of magnons. DPC may subsist in equilibrium distribution at finite temperatures.

Ultralow-energy magnon anomaly in yttrium iron garnet

社本 真一; 安井 幸夫*; 松浦 直人*; 赤津 光洋*; 小林 義明*; 根本 祐一*; 家田 淳一

Physical Review Research (Internet), 2(3), p.033235_1 - 033235_6, 2020/08

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.033235

イットリウム鉄ガーネット結晶の超低エネルギーマグノンを、非弾性中性子散乱によって45eV以下のエネルギー範囲で調べたところ、[111]方向に約0.1Tの磁場が印加した場合に、10Kで超低エネルギーのマグノン異常を発見した。

Room temperature and low-field resonant enhancement of spin Seebeck effect in partially compensated magnets

Ramos, R.*; 日置 友智*; 橋本 佑介*; 吉川 貴史*; Frey, P.*; Kreil, A. J. E.*; Vasyuchka, V. I.*; Serga, A. A.*; Hillebrands, B.*; 齊藤 英治

Nature Communications (Internet), 10, p.5162_1 - 5162_8, 2019/11

https://doi.org/10.1038/s41467-019-13121-5

Resonant enhancement of spin Seebeck effect (SSE) due to phonons was recently discovered in YFeO (YIG). This effect is explained by hybridization between the magnon and phonon dispersions. However, this effect was observed at low temperatures and high magnetic fields, limiting the scope for applications. Here we report observation of phonon-resonant enhancement of SSE at room temperature and low magnetic field. We observe in LuBiFeGaO an enhancement 700% greater than that in a YIG film and at very low magnetic fields around 10 T, almost one order of magnitude lower than that of YIG. The result can be explained by the change in the magnon dispersion induced by magnetic compensation due to the presence of non-magnetic ion substitutions. Our study provides a way to tune the magnon response in a crystal by chemical doping, with potential applications for spintronic devices.

Tunable magnonic thermal Hall effect in skyrmion crystal phases of ferrimagnets

Kim, S. K.*; 仲田 光樹; Loss, D.*; Tserkovnyak, Y.*

Physical Review Letters, 122(5), p.057204_1 - 057204_6, 2019/02

AA2018-0633.pdf:2.02MB

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.057204

フェリ磁性スカーミオン結晶中のトポロジカルマグノンホール効果、およびその熱制御方法を理論的に提案する。

Neutron scattering study of yttrium iron garnet

社本 真一; 伊藤 孝; 大西 弘明; 山内 宏樹; 稲村 泰弘; 松浦 直人*; 赤津 光洋*; 樹神 克明; 中尾 朗子*; 茂吉 武人*; et al.

Physical Review B, 97(5), p.054429_1 - 054429_9, 2018/02

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.054429

イットリウム鉄ガーネットの核および磁気構造と全マグノン分散を中性子散乱により調べた。低エネルギーの分散は強磁性マグノンで期待されるように14meVまで2次関数の分散を示した。積分した動的磁化率"()の虚部は低エネルギーで平方根のエネルギー依存性を示した。"()から絶対値でマグノン状態密度を求めた。その値は理論的に予想されるマグノン分散でひとつのカラリティーモードに対応する。