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論文

エネルギーの将来 「スピントロニクス」の挑戦

家田 淳一

FBNews, (528), p.1 - 5, 2020/12

現在の技術のまま、まったく省エネルギー対策がなされない場合、情報関連だけで2030年には年間42PWh、2050年には5,000PWhと、現在の世界の総消費電力の約24PWhを大きく上回るとも予測されている。すなわち、技術進歩なしでは情報関連だけで世界の全てのエネルギーを食い尽くしてもまだ不足するという恐るべき事態が迫りつつある。「センサー1兆個の社会が到来する」ともいわれる将来、その電源をどうやって確保するか。この課題は、われわれの生活を維持するうえで実に重要なテーマである。そこで、電子の隠れた特徴「スピン」を活用する技術に注目が集まっている。スピンの性質を解き明かすとともに、その有用性を見出し、情報化社会に貢献するための研究が進められている。本稿では、このスピンを利用する技術「スピントロニクス」が、将来のエネルギー利用にもたらすと期待される技術進歩の可能性について紹介する。

論文

Development and application of a $$^3$$He neutron spin filter at J-PARC

奥平 琢也; 奥 隆之; 猪野 隆*; 林田 洋寿*; 吉良 弘*; 酒井 健二; 廣井 孝介; 高橋 慎吾*; 相澤 一也; 遠藤 仁*; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 977, p.164301_1 - 164301_8, 2020/10

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Instruments & Instrumentation)

We are developing a neutron polarizer with polarized $$^3$$He gas, referred to as a $$^3$$He spin filter, based on the Spin Exchange Optical Pumping (SEOP) for polarized neutron scattering experiments at Materials and Life Science Experimental Facility (MLF) of Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC). A $$^3$$He gas-filling station was constructed at J-PARC, and several $$^3$$He cells with long spin relaxation times have been fabricated using the gas-filling station. A laboratory has been prepared in the MLF beam hall for polarizing $$^3$$He cells, and compact pumping systems with laser powers of 30 W and 110 W, which can be installed onto a neutron beamline, have been developed. A $$^3$$He polarization of 85% was achieved at a neutron beamline by using the pumping system with the 110 W laser. Recently, the first user experiment utilizing the $$^3$$He spin filter was conducted, and there have been several more since then. The development and utilization of $$^3$$He spin filters at MLF of J-PARC are reported.

論文

Optomagnonic Barnett effect

仲田 光樹; 高吉 慎太郎*

Physical Review B, 102(9), p.094417_1 - 094417_11, 2020/09

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

いわゆる光学的Barnett効果[A. Rebei and J. Hohlfeld, Phys. Lett. A 372, 1915 (2008); J. Appl. Phys. 103, 07B118 (2008)], i.e., 円偏光レーザー誘起磁化成長[S. Takayoshi et al., Phys. Rev. B 90, 214413 (2014); S. Takayoshi et al., Phys. Rev. B 90, 085150 (2014)]をフェリ磁性絶縁体に応用し、THz領域におけるマグノン凝縮機構を微視的に解明した。これはBose統計に従うマグノンに特有の巨視的量子効果である。本研究が提供するTHzマグノン凝縮体を活用することで、従来の強磁性絶縁体中のものよりはるかに高速のスピン輸送「巨視的量子干渉効果によるJosephsonスピン流」を実現することができる。

論文

Tolerance of spin-Seebeck thermoelectricity against irradiation by swift heavy ions

岡安 悟; 針井 一哉*; 小畠 雅明; 吉井 賢資; 福田 竜生; 石田 真彦*; 家田 淳一; 齊藤 英治

Journal of Applied Physics, 128(8), p.083902_1 - 083902_7, 2020/08

The ion-irradiation tolerance of thermoelectric devices based on the spin Seebeck effect (SSE) was investigated by using 320 MeV gold ion (Au$$^{24+}$$) beams modeling cumulative damages due to fission products emitted from the surface of spent nuclear fuels. For this purpose, prototypical Pt/Y$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$/Gd$$_3$$Ga$$_5$$O$$_{12}$$ SSE elements were irradiated with varying the dose level at room temperature and measured the SSE voltage of them. We confirmed that the thermoelectric and magnetic properties of the SSE elements are not affected by the ion-irradiation up to $$10^{10}$$ ions/cm$$^2$$ fluence and that the SSE signal is extinguished around $$10^{12}$$ ions/cm$$^2$$, in which the ion tracks almost fully cover the sample surface. We also performed the hard X-ray photoemission spectroscopy (HAXPES) measurements to understand the effects at the interface of Pt/Y$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$. The HAXPES measurements suggest that the chemical reaction that diminishes the SSE signals is enhanced with the increase of the irradiation dose. The present study demonstrates that SSE-based devices are applicable to thermoelectric generation even in harsh environments for a long time period.

論文

Giant spin hydrodynamic generation in laminar flow

高橋 遼*; 中堂 博之; 松尾 衛; 針井 一哉*; 大沼 悠一*; 前川 禎通; 齊藤 英治

Nature Communications (Internet), 11, p.3009_1 - 3009_6, 2020/06

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

Hydrodynamic motion can generate a flux of electron-spin's angular momentum via the coupling between fluid rotation and electron spins. Such hydrodynamic generation, called spin hydrodynamic generation (SHDG), has recently attracted attention in a wide range of fields, especially in spintronics. Spintronics deals with spin-mediated interconversion taking place on a micro or nano scale because of the spin-diffusion length scale. To be fully incorporated into the interconversion, SHDG physics should also be established in such a minute scale, where most fluids exhibit a laminar flow. Here, we report electric voltage generation due to the SHDG in a laminar flow of a liquid-metal mercury. The experimental results show a scaling rule unique to the laminar-flow SHDG. Furthermore, its energy con- version efficiency turns out to be about 105 greater than of the turbulent one. Our findings reveal that the laminar-flow SHDG is suitable to downsizing and to extend the coverage of fluid spintronics.

論文

$$q$$=0 long-range magnetic order in centennialite CaCu$$_{3}$$(OD)$$_{6}$$Cl$$_{2}$$ $$cdot$$ 0.6D$$_{2}$$O; A Spin-$$frac{1}{2}$$ perfect kagome antiferromagnet with $$J_{1}$$-$$J_{2}$$-$$J_{d}$$

飯田 一樹*; 吉田 紘行*; 中尾 朗子*; Jeschke, H. O.*; Iqbal, Y.*; 中島 健次; 河村 聖子; 宗像 孝司*; 稲村 泰弘; 村井 直樹; et al.

Physical Review B, 101(22), p.220408_1 - 220408_6, 2020/06

鉱物センテニアライトCaCu$$_{3}$$(OD)$$_{6}$$Cl$$_{2}$$ $$cdot$$ 0.6D$$_{2}$$Oの結晶構造と磁気構造をシンクロトロンX線回折と中性子回折測定に密度汎関数理論(DFT)と疑似フェルミオン汎関数繰り込み群(PFFRG)の計算を組み合わせることで調べた。CaCu$$_{3}$$(OD)$$_{6}$$Cl$$_{2}$$ $$cdot$$ 0.6D$$_{2}$$OではCu$$^{2+}$$イオンは反強磁性$$J_{1}$$と幾何学的に完全なカゴメネットワークを形成する。Cu$$^{2+}$$とCa$$^{2+}$$イオン間のサイト間無秩序は見つからなかった。CaCu$$_{3}$$(OD)$$_{6}$$Cl$$_{2}$$ $$cdot$$ 0.6D$$_{2}$$Oは$$T$$$$_{rm N}$$=7.2K以下で磁気秩序を示し、負のベクトルスピンキラリティーを持つ$$q$$=0の磁気構造が現れる。0.3Kでの秩序モーメントは0.58(2)$$mu$$Bに抑えられている。我々のDFT計算では、この系が量子臨界点の近くにあり、$$J_{1}$$-$$J_{2}$$-$$J_{d}$$カゴメ反強磁性体の優れた実現であることを示唆している。

論文

External exposure dose estimation by electron spin resonance technique for wild Japanese macaque captured in Fukushima Prefecture

岡 壽崇; 高橋 温*; 小荒井 一真; 光安 優典*; 木野 康志*; 関根 勉*; 清水 良央*; 千葉 美麗*; 鈴木 敏彦*; 小坂 健*; et al.

Radiation Measurements, 134, p.106315_1 - 106315_4, 2020/06

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Nuclear Science & Technology)

ニホンザルのエナメル質中に誘起された炭酸ラジカルと吸収線量の関係(検量線)を電子スピン共鳴(ESR)法で調べた。ニホンザルのエナメル質のESR測定で検出できる線量の下限(検出限界)は33.5mGyであり、ヒトのエナメル質の検出限界と同等であった。作成した検量線を用いて、福島県で捕獲した7頭の野生ニホンザルの線量を評価したところ、45mGyから300mGyの被ばくをしていることがわかった。

論文

Horizontal line nodes in Sr$$_2$$RuO$$_4$$ proved by spin resonance

飯田 一樹*; 古府 麻衣子; 鈴木 雄大*; 村井 直樹; 河村 聖子; 梶本 亮一; 稲村 泰弘; 石角 元志*; 長谷川 舜介*; 増田 隆嗣*; et al.

Journal of the Physical Society of Japan, 89(5), p.053702_1 - 053702_5, 2020/05

 被引用回数:2 パーセンタイル:14.51(Physics, Multidisciplinary)

We investigated the low-energy incommensurate (IC) magnetic fluctuations in Sr$$_2$$RuO$$_4$$ by the high-resolution inelastic neutron scattering measurements and random phase approximation (RPA) calculations. We observed a spin resonance with energy of $$hbar omega_{rm res}0.56$$ meV centered at a characteristic wavevector $$Q_{rm res}=(0.3,0.3,0.5)$$. The resonance energy corresponds well to the superconducting gap 2$$Delta$$ = 0.56 meV estimated by the tunneling spectroscopy. The spin resonance shows the $$L$$ modulation with a maximum at around $$L = 0.5$$. The $$L$$ modulated intensity of the spin resonance and our RPA calculations indicate that the superconducting gaps regarding the quasi-one-dimensional $$alpha$$ and $$beta$$ sheets at the Fermi surfaces have the horizontal line nodes. These results may set a strong constraint on the pairing symmetry of Sr$$_2$$RuO$$_4$$. We also discuss the implications on possible superconducting order parameters.

論文

Dynamical spin-to-charge conversion on the edge of quantum spin Hall insulator

荒木 康史; 三澤 貴宏*; 野村 健太郎*

Physical Review Research (Internet), 2(2), p.023195_1 - 023195_11, 2020/05

We theoretically manifest that the edge of a quantum spin Hall insulator (QSHI), attached to an insulating ferromagnet (FM), can realize a highly efficient spin-to-charge conversion. Based on a one-dimensional QSHI-FM junction, the electron dynamics on the QSHI edge is analyzed, driven by a magnetization dynamics in the FM. Under a large gap opening on the edge from the magnetic exchange coupling, we find that the spin injection into the QSHI edge gets suppressed while the charge current driven on the edge gets maximized, demanded by the band topology of the one-dimensional helical edge states.

論文

Experimental realization of a passive Gigahertz frequency-division demultiplexer for magnonic logic networks

Heussner, F.*; Talmelli, G.*; Geilen, M.*; Heinz, B.*; Br$"a$cher, T.*; Meyer, T.*; Ciubotaru, F.*; Adelmann, C.*; 山本 慧; Serga, A. A.*; et al.

Physica Status Solidi; Rapid Research Letters, 14(4), p.1900695_1 - 1900695_6, 2020/04

 被引用回数:5 パーセンタイル:8.09(Materials Science, Multidisciplinary)

The emerging field of magnonics employs spin waves and their quanta, magnons, to implement wave-based computing on the micro- and nanoscales. Multi-frequency magnon networks would allow for parallel data processing within single logic elements whereas this is not the case with conventional transistor-based electric logic. However, a lack of experimental proven solutions to efficiently combine and separate magnons of different frequencies has impeded the intensive use of this concept. In this Letter, the experimental realization of a spin-wave demultiplexer enabling frequency-dependent separation of magnetic signals in the GHz range is demonstrated. The device is based on two-dimensional magnon transport in the form of spin-wave beams in unpatterned magnetic films. The intrinsic frequency-dependence of the beam direction is exploited to realize a passive functioning obviating an external control and additional power consumption. This approach paves the way to magnonic multiplexing circuits enabling simultaneous information transport and processing.

論文

Manipulation of saturation magnetization and perpendicular magnetic anisotropy in epitaxial Co$$_{x}$$Mn$$_{4-x}$$N films with ferrimagnetic compensation

伊藤 啓太*; 安富 陽子*; Zhu, S.*; Nurmamat, M.*; 田原 昌樹*; 都甲 薫*; 秋山 了太*; 竹田 幸治; 斎藤 祐児; 小口 多美夫*; et al.

Physical Review B, 101(10), p.104401_1 - 104401_8, 2020/03

 被引用回数:1 パーセンタイル:31.73(Materials Science, Multidisciplinary)

Spintronics devices utilizing a magnetic domain wall motion have attracted increasing attention, and ferrimagentic materials with almost compensated magnetic moments are highly required to realize the fast magnetic domain wall motion. Here, we report a key function for this purpose in anti-perovskite Co$$_{x}$$Mn$$_{4-x}$$N films. Perpendicular magnetization emerges for $$0.8 leq x$$, and the saturation magnetization reaches a minimum value at $$x = 0.8$$.

論文

Measurement of the angular distribution of $$gamma$$-rays after neutron capture by $$^{139}$$La for a T-violation search

奥平 琢也; 清水 裕彦*; 北口 雅暁*; 広田 克也*; Haddock, C. C.*; 伊藤 維久也*; 山本 知樹*; 遠藤 駿典*; 石崎 貢平*; 佐藤 匠*; et al.

EPJ Web of Conferences, 219, p.09001_1 - 09001_6, 2019/12

原子核が熱外中性子を共鳴吸収する反応において、弱い相互作用起因のパリティ対称性の破れが核子間相互作用の最大10$$^{6}$$倍増幅される現象が観測されている。この反応では時間反転対称性の破れにも同様の増幅効果があることが理論的に予言されており、全く新しい手法で未知の時間反転対称性の破れを世界最高感度で探索できる可能性がある。しかし、その増幅率は全ての核種で未知であり、この手法がもつ可能性を具体的に議論できていなかった。本研究ではJ-PARC, MLF, BL04のGe検出器群を用いて、$$^{139}$$La(n,$$gamma$$)反応の角度分布測定を行い、世界で初めて$$^{139}$$Laで時間反転対称性の破れの増幅率を求めることに成功した。この結果を用いて、実験に必要な測定時間を見積もると、偏極率40%のLa核偏極技術、偏極率70%, 79atm・cmの$$^3$$He Spin Filterを用意すれば、1.4日の測定で世界最高感度で時間反転対称性の破れ探索実験が可能であることが判明した。現在原子力機構では高性能な$$^3$$He Spin Filterの開発を行なっており、本発表では$$gamma$$線の角度分布測定の結果、及び共用ビームラインに適用するための$$^3$$He Spin Filterの開発の現状について発表する。

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

Experimental investigation of the suppressed superconducting gap and double-resonance mode in Ba$$_{1-x}$$K$$_{x}$$Fe$$_{2}$$As$$_{2}$$

出田 真一郎*; 村井 直樹; 中島 正道*; 梶本 亮一; 田中 清尚*

Physical Review B, 100(23), p.235135_1 - 235135_7, 2019/12

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

Ba$$_{1-x}$$K$$_{x}$$Fe$$_{2}$$As$$_{2}$$ has an exotic physical property where that the C$$_{2}$$-SDW phase suddenly changes to the C$$_{4}$$-magnetic phase and superconductivity is suppressed within a narrow composition range around x = 0.25. We have investigated the doping dependence of the electronic structure of Ba$$_{1-x}$$K$$_{x}$$Fe$$_{2}$$As$$_{2}$$ using angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) and found an anomaly in the superconducting (SC) gap structure only for x = 0.25 in both the hole and electron Fermi surfaces (FSs). We also propose that the mechanism of a newly observed double-resonance peak by inelastic neutron scattering is understandable by the SC gap obtained by ARPES. Our discovery reveals the important relationship between the C$$_{4}$$- magnetic phase and superconductivity, and provides an opportunity to survey the underlying relationship between the SC gap and resonance mode in the hole-doped iron-based superconductor.

論文

Development of the neutron polarizer for the T-violation search using compound nuclei

奥平 琢也; 奥 隆之; 酒井 健二; 猪野 隆*; 林田 洋寿*; 廣井 孝介; 篠原 武尚; 加倉井 和久*; 相澤 一也; 清水 裕彦*; et al.

Proceedings of Science (Internet), 356, 5 Pages, 2019/12

共通技術開発セクションでは、J-PARC物質・生命科学実験施設の大強度中性子を活用するために、偏極中性子デバイスの一つである$$^{3}$$Heスピンフィルターの開発を行なっている。$$^{3}$$Heスピンフィルターの性能評価の一つの手段に、基礎物理分野での応用・評価があり、基礎物理実験も活用している。現在の物質優勢宇宙を説明するためには時間反転対称性の破れが不可欠であり、世界中で時間反転対称性の破れの探索実験が行われている。その一つに偏極中性子と原子核を使用して対称性の破れを測定する方法があり、J-PARCの大強度中性子を用いた時間反転対称性の破れ探索が計画されている。本計画では1eV程度のエネルギーの高い中性子を偏極するための従来にない巨大な$$^{3}$$Heスピンフィルターを開発する必要があり、原子力機構にて開発が行われている$$^{3}$$Heスピンフィルターの性能評価の良い検証となる。現在、偏極率の精度の良い評価システムや$$^{3}$$Heスピンフィルター製作のための真空システムの構築を行い、熱外中性子偏極のための大型スピンフィルターの開発を継続している。本発表では$$^{3}$$Heスピンフィルターの開発の現状について発表する。

論文

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

 被引用回数:1 パーセンタイル:76.22(Materials Science, Multidisciplinary)

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 $$L$$1$$_{0}$$-FePt / Ni$$_{81}$$Fe$$_{19}$$ 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.

論文

Isomer spectroscopy in $$^{133}$$Ba and high-spin structure of $$^{134}$$Ba

Kaya, L.*; Vogt, A.*; Reiter, P.*; Siciliano, M.*; 清水 則孝*; 宇都野 穣; Wang, H.-K.*; Gargano, A.*; Coraggio, L.*; Itaco, N.*; et al.

Physical Review C, 100(2), p.024323_1 - 024323_18, 2019/08

 被引用回数:2 パーセンタイル:63.02(Physics, Nuclear)

$$^{133,134}$$Baの高スピン状態を$$^{136}textrm{Xe}+^{208}textrm{Pb}$$および$$^{13}textrm{C}+^{124}textrm{Sn}$$反応によって生成し、そこからの脱励起ガンマ線を観測した。$$^{133}$$Baの1942keVのアイソマーの寿命を66.6(20)nsと決定し、$$^{134}$$Baの$$10^+$$よりの高スピン状態を見つけた。この結果を殻模型計算と比較し、$$^{134}$$Baの$$10^+$$$$12^+$$の間隔や$$12^+$$$$14^+$$の間隔が広がるなどの特徴が計算によってよく再現できることがわかった。

論文

Universal $$frac{1}{3}$$-suppression of magnonic shot noise in diffusive insulating magnets

仲田 光樹; 大沼 悠一*; 松尾 衛*

Physical Review B, 100(1), p.014406_1 - 014406_8, 2019/07

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

強磁性絶縁体接合系と比較し、不純物散乱をうける磁性絶縁体バルク中のマグノン流ノイズは$$frac{1}{3}$$に抑制されることを明らかにした。

論文

Laser control of magnonic topological phases in antiferromagnets

仲田 光樹; Kim, S. K.*; 高吉 慎太郎*

Physical Review B, 100(1), p.014421_1 - 014421_9, 2019/07

 被引用回数:2 パーセンタイル:56.85(Materials Science, Multidisciplinary)

巨視的磁化が無いため これまでスピントロニクス分野で見落とされていた「Neel磁気秩序を有する反強磁性絶縁体」に着目し、マグノンに宿る「トポロジカル量子物性」の創発・発芽機構をFloquet理論の観点から理論的に確立・解明した。特に 「マグノン」に特有の「電場誘起の幾何学的位相」を活用し、「時間反転対称性により保護されたトポロジカル物性」の制御・デザイン方法を確立した。本研究により 反強磁性絶縁体に固有の「非平衡トポロジカル物性」のレーザー制御・光デザインが実現可能になる。2018年に量子光学分野の発展に対してノーベル物理学賞が与えられたことに象徴される通り、昨今のレーザー技術の進展は目覚ましい。本研究はそうした「量子光学」分野と「マグノンスピントロニクス」分野を紡ぎ、両者に「光マグノンスピントロニクス」という新たな架け橋をかける革新的研究と位置づけられる。

論文

Localized magnetic excitations in the fully frustrated dimerized magnet Ba$$_{2}$$CoSi$$_{2}$$O$$_{6}$$Cl$$_{2}$$

栗田 伸之*; 山本 大輔*; 金坂 拓哉*; 古川 信夫*; 河村 聖子; 中島 健次; 田中 秀数*

Physical Review Letters, 123(2), p.027206_1 - 027206_6, 2019/07

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

Magnetic excitations of the effective spin $$S$$ =1/2 dimerized magnet Ba$$_{2}$$CoSi$$_{2}$$O$$_{6}$$Cl$$_{2}$$ have been probed directly via inelastic neutron scattering experiments. We observed five types of excitation, which are all dispersionless within the resolution limits. The scattering intensities of the three low-lying excitations were found to exhibit different $$Q$$-dependences. Detailed analysis has demonstrated that Ba$$_{2}$$CoSi$$_{2}$$O$$_{6}$$Cl$$_{2}$$ is a two dimensional spin dimer system described only by a single dimer site, where the triplet excitations are localized owing to the almost perfect frustration of the interdimer exchange interactions and the undimerized spins, even in small concentration, make an essential contribution to the excitation spectrum.

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