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論文

Chiral-spin rotation of non-collinear antiferromagnet by spin-orbit torque

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:2 パーセンタイル:0(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 Mn$$_3$$Sn, we observe a characteristic fluctuation of Hall resistance, which is attributed to a persistent rotation of chiral-spin structure of Mn$$_3$$Sn driven by SOT. We find that level of the fluctuation that varies with sample size represents the number of magnetic domains of Mn$$_{3}$$Sn. In addition, Mn$$_3$$Sn thickness dependence of critical current reveals that SOT generated by small current density below 20 MA cm$$^{-2}$$ effectively acts on the chiral-spin structure even in thick Mn$$_3$$Sn 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.

論文

Spin-flop phase in a honeycomb antiferromagnet Mn$$_{0.84}$$Mg$$_{0.16}$$TiO$$_{3}$$

社本 真一; 山内 宏樹; 池内 和彦*; Lee, M. K.*; Chang, L.-J.*; Garlea, V. O.*; Hwang, I. Y.*; Lee, K. H.*; Chung, J.-H.*

Journal of the Physical Society of Japan, 90(9), p.093703_1 - 093703_4, 2021/09

 被引用回数:0

ハニカム格子反強磁性体Mn$$_{0.84}$$Mg$$_{0.16}$$TiO$$_{3}$$の5T磁場下でのスピンフロップ相の磁気構造を弾性散乱と非弾性散乱を相補的に用いることで、初めて提案した。

論文

Correlation of anomalous Hall effect with structural parameters and magnetic ordering in Mn$$_{3+x}$$Sn$$_{1-x}$$ thin films

Yoon, J.-Y.*; 竹内 祐太郎*; DuttaGupta, S.*; 山根 結太*; 金井 駿*; 家田 淳一; 大野 英男*; 深見 俊輔*

AIP Advances (Internet), 11(6), p.065318_1 - 065318_6, 2021/06

 被引用回数:0

We investigate the relationship between structural parameters, magnetic ordering, and the anomalous Hall effect (AHE) of Mn$$_{3+x}$$Sn$$_{1-x}$$ ($$-0.42 le x le +0.23$$) thin films annealed at various temperature $$T_a$$. The crystal structure changes with $$x$$ and $$T_a$$ and at $$T_a ge 500$$ $$^circ$$C near the stoichiometric composition ($$-0.08 le x le +0.04$$) epitaxial single-phase $$D$$0$$_{19}$$-Mn$$_{3+x}$$Sn$$_{1-x}$$($$10bar{1}0$$) is obtained. At room temperature, a larger AHE is obtained when the single-phase epitaxial Mn$$_3$$Sn with the lattice constant closer to that of bulk is formed. The temperature dependence of the AHE shows different behaviors depending on $$T_a$$ and can be explained by considering the variation of magnetic ordering. A close inspection into the temperature and composition dependence suggests a variation of magnetic phase transition temperature with composition and/or a possible correlation between the AHE and Fermi level position with respect to the Weyl points. Our comprehensive study would provide the basis for utilizing the unique functionalities of non-collinear antiferromagnetic materials.

論文

Spin wave excitations in honeycomb antiferromagnet MnTiO$$_{3}$$

Hwang, I. Y.*; Lee, K. H.*; Chung, J.-H.*; 池内 和彦*; Garlea, V. O.*; 山内 宏樹; 赤津 光洋*; 社本 真一

Journal of the Physical Society of Japan, 90(6), p.064708_1 - 064708_6, 2021/06

 被引用回数:1 パーセンタイル:0.01(Physics, Multidisciplinary)

ハニカム格子反強磁性体MnTiO$$_{3}$$のスピン波を調べ、スピン間の交換相互作用を正確に求めた。

論文

Universal scaling behavior under pressure in the heavy-fermion antiferromagnet CeRh$$_2$$Si$$_2$$; $$^{29}$$Si NMR study

酒井 宏典; 松本 裕司*; 芳賀 芳範; 徳永 陽; 神戸 振作

Physical Review B, 103(8), p.085114_1 - 085114_8, 2021/02

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

重い電子系反強磁性体CeRh$$_2$$Si$$_2$$において、$$^{29}$$Si核核磁気共鳴(NMR)を用いて、圧力下相図について微視的に調べた。NMRデータから、反強磁性伝搬ベクトル$$q$$に依らない単一サイト近藤効果の特徴的温度スケール$$T_0$$を導出した。圧力下の反強磁性臨界点において$$T_0$$の発散的異常は見られず、重い電子系の典型的なDoniach描像と矛盾しない結果が得られた。

論文

Gapless spin liquid in a square-kagome lattice antiferromagnet

藤原 理賀*; 森田 克洋*; Mole, R.*; 満田 節生*; 遠山 貴巳*; 矢野 真一郎*; Yu, D.*; 曽田 繁利*; 桑井 智彦*; 幸田 章宏*; et al.

Nature Communications (Internet), 11(1), p.3429_1 - 3429_7, 2020/07

Observation of a quantum spin liquid (QSL) state is one of the most important goals in condensed-matter physics, as well as the development of new spintronic devices that support next-generation industries. The QSL in two-dimensional quantum spin systems is expected to be due to geometrical magnetic frustration, and thus a kagome-based lattice is the most probable playground for QSL. Here, we report the first experimental results of the QSL state on a square-kagome quantum antiferromagnet, KCu$$_6$$AlBiO$$_4$$(SO$$_4$$)$$_5$$Cl. Comprehensive experimental studies via magnetic susceptibility, magnetisation, heat capacity, muon spin relaxation, and inelastic neutron scattering measurements reveal the formation of a gapless QSL at very low temperatures close to the ground state. The QSL behavior cannot be explained fully by a frustrated Heisenberg model with nearest-neighbor exchange interactions, providing a theoretical challenge to unveil the nature of the QSL state.

論文

反強磁性ナノ構造におけるスピントルクと電圧生成

山根 結太*; 家田 淳一

まぐね, 13(5), p.235 - 241, 2018/10

We overview the recent theoretical development on spin-transfer torque in antiferromagnetic nanostructures and related subjects. As antiferromagnetic materials are generating more attention lately due to their potential to play pivotal roles in spintronics applications, demands are rising for reliable methods to control and detect antiferromagnetic textures and their dynamics. While antiferromagnets are largely insensitive to external magnetic fields in general, electrical means are proving to be capable of offering promising ways to access the antiferromagnetic dynamics. We discuss in this article the possibility of manipulation and observation of dynamical antiferromagnetic textures by electrical current and voltage.

論文

Magnetic anisotropy by Rashba spin-orbit coupling in antiferromagnetic thin films

家田 淳一; Barnes, S. E.*; 前川 禎通

Journal of the Physical Society of Japan, 87(5), p.053703_1 - 053703_4, 2018/05

 被引用回数:3 パーセンタイル:40.61(Physics, Multidisciplinary)

Magnetic anisotropy in an antiferromagnet (AFM) with inversion symmetry breaking (ISB) is investigated. The magnetic anisotropy energy (MAE) resulting from the Rashba spin-orbit and $$s$$-$$d$$ type exchange interactions is determined for two different models of AFMs. The global ISB model, representing the effect of a surface, an interface, or a gating electric field, results in an easy-plane magnetic anisotropy. In contrast, for a local ISB model, i.e., for a noncentrosymmetric AFM, perpendicular magnetic anisotropy (PMA) arises. Both results differ from the ferromagnetic case, in which the result for PMA depends on the band structure and dimensionality. These MAE contributions play a key role in determining the direction of the N$'{e}$el order parameter in antiferromagnetic nanostructures, and reflect the possibility of electrical-field control of the N$'{e}$el vector.

論文

Structure of the magnetic excitations in the spin-1/2 triangular-lattice Heisenberg antiferromagnet Ba$$_{3}$$CoSb$$_{2}$$O$$_{9}$$

伊藤 沙也*; 栗田 伸之*; 田中 秀数*; 河村 聖子; 中島 健次; 伊藤 晋一*; 桑原 慶太郎*; 加倉井 和久*

Nature Communications (Internet), 8, p.235_1 - 235_6, 2017/08

 被引用回数:42 パーセンタイル:93.31(Multidisciplinary Sciences)

A spin-1/2 triangular-lattice Heisenberg antiferromagnet (TLHAF) is a prototypical frustrated quantum magnet, which exhibits remarkable quantum many-body effects that arise from the synergy between spin frustration and quantum fluctuation. The ground-state properties of a spin-1/2 TLHAF are theoretically well understood. However, magnetic excitations are less well understood and the theoretical consensus is limited. The experimental study of the magnetic excitations in spin-1/2 TLHAFs has also been limited. Here we show the whole picture of magnetic excitations in the spin-1/2 TLHAF Ba$$_{3}$$CoSb$$_{2}$$O$$_{9}$$ investigated by inelastic neutron scattering. Significantly different from the theory, the excitation spectra have a three-stage energy structure. The lowest first stage is composed of dispersion branches of single-magnon excitations. The second and third stages are dispersive continua accompanied by columnar continuum extending above 10 meV, which is six times larger than the exchange interaction J=1.67 meV. Our results indicate the necessity of a new theoretical framework.

論文

Spin-transfer torques in antiferromagnetic textures; Efficiency and quantification method

山根 結太*; 家田 淳一; Sinova, J.*

Physical Review B, 94(5), p.054409_1 - 054409_8, 2016/08

AA2016-0164.pdf:0.5MB

 被引用回数:21 パーセンタイル:76.7(Materials Science, Multidisciplinary)

反強磁性体におけるスピントランスファートルクの理論を定式化し、交換相互作用エネルギーが磁気副格子間の電子ダイナミクスの運動エネルギーに対して大きい場合と小さい場合の両者を取り扱う。本理論により、反強磁性体におけるスピントランスファートルクの効率が明確に定義された物質パラメータを用いて自然に導入される。この結果、電流は交換相互作用が相対的に大きな場合は反強磁性秩序関数と、逆に小さな場合は副格子傾斜磁化と、それぞれより強く結合することが判明した。またこの効果は、電流存在下での反強磁性スピン波分散関係の解析により定量化できる。特に、交換相互作用が相対的に大きな極限では、スピン波のドップラー効果が常に生じるのに対し、その逆の極限では副格子傾斜磁化が顕著となるようなモードにおいてのみ電流に対する応答が生じる。これらの知見は、入れ子構造や層状構造など様々な副格子構造をもつ反強磁性体におけるスピントランスファートルクの理解と設計に対する枠組みを与える。

論文

Incommensurate to commensurate antiferromagnetism in CeRhAl$$_4$$Si$$_2$$; An $$^{27}$$Al NMR study

酒井 宏典; 服部 泰佑; 徳永 陽; 神戸 振作; Ghimire, N. J.*; Ronning, F.*; Bauer, E. D.*; Thompson, J. D.*

Physical Review B, 93(1), p.014402_1 - 014402_9, 2016/01

 被引用回数:1 パーセンタイル:6.79(Materials Science, Multidisciplinary)

反強磁性近藤格子系CeRhAl$$_4$$Si$$_2$$の単結晶を用いて、$$^{27}$$Al核核磁気共鳴(NMR)実験を行った。この化合物は、ゼロ磁場で$$T_{rm N1}$$=14 Kと$$T_{rm N2}$$=9 Kで反強磁性転移をする。常磁性状態において、斜方対称をもつAlサイトのナイトシフト、四重極周波数、非対称パラメーターを決定した。移行超微細結合定数も決定した。$$T_{rm N2}$$以下の反強磁性秩序が格子整合していること、$$T_{rm N2}$$以上、$$T_{rm N1}$$以下の反強磁性は非整合であることを示した。スピン格子緩和率の温度依存性から、$$T_{rm N1}$$以上で、4f電子が局在的になっていることも示した。

論文

Exotic field induced quantum phase transition of the kagome lattice antiferromagnet

坂井 徹; 中野 博生*

Physics Procedia, 75, p.821 - 828, 2015/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.04

S=1/2カゴメ格子反強磁性体の磁化過程について42スピン系までの数値対角化により研究した。臨界指数の解析により、3分の1磁化プラトーのような振る舞いは、従来知られるものとは異なるものであることが示された。それは、低磁場側では微分磁化が無限大になるのに対し、高磁場側ではゼロになるというものである。さらに本研究では、歪んだカゴメ格子反強磁性体が3分の1磁化プラトーを示すことを確認した。

論文

Instability of a ferrimagnetic state of a frustrated S=1/2 Heisenberg antiferromagnet in two dimensions

中野 博生*; 坂井 徹

Japanese Journal of Applied Physics, 54(3), p.030305_1 - 030305_4, 2015/03

 被引用回数:9 パーセンタイル:45.61(Physics, Applied)

フェライトの磁性の基礎を与えるフェリ磁性の不安定性を明らかにするため、フラストレーションのあるS=1/2二次元ハイゼンベルグ反強磁性体について数値対角化により研究した。その結果、弱いフラストレーションにおいてフェリ磁性状態が自発磁化をもたらすことがわかった。

論文

Magnetization plateaux of the ${it S}$=1/2 two-dimensional frustrated antiferromagnet Cs$$_{2}$$CuBr$$_{4}$$

小野 俊雄*; 田中 秀数*; Kolomiyets, O.*; 三田村 裕幸*; 後藤 恒昭*; 中島 健次; 大沢 明; 小池 良浩; 加倉井 和久; Klenke, J.*; et al.

Journal of Physics; Condensed Matter, 16(11), p.S773 - S778, 2004/03

 被引用回数:57 パーセンタイル:88.91(Physics, Condensed Matter)

磁化過程及び中性子散乱実験を用いて${it S}$=1/2二次元三角格子反強磁性体Cs$$_{2}$$CuBr$$_{4}$$の磁性を調べた。その結果、以下のようなことがわかった。この系は零磁場中ではT$$_{N}$$=1.4Kで波数${it Q}$=(h,k,1)=(0,0.575,0)に対応する不整合構造を持つ磁気秩序を起こす。またこの系に、b軸及びc軸方向に磁場を印加していくと、飽和磁化の約1/3のところに磁化プラトーを示す。a軸方向に磁場をかけた場合は、特に異常は示さない。また磁場印加に伴って零磁場磁気構造の波数${it Q}$=(0,0.575,0)からkが増加をはじめ、1/3プラトー領域で${it Q}$=(0,0.662,0)でロックされることがわかった。これは、1/3プラトー領域では量子揺らぎによってuud構造が安定化されていることを示している。また、1/3領域からさらに磁場を印加していくと2/3プラトーも発現しているような振る舞いも見られた。

報告書

バンド理論を用いたウラン酸化物の物性に関する研究

手島 正吾

JNC TN8400 2000-029, 54 Pages, 2000/10

JNC-TN8400-2000-029.pdf:1.32MB

本報告は、著者が核燃料サイクル開発機構において平成10年4月から平成12年10月までに博士研究員として行った研究内容をまとめたものである。本報告は、3つの内容に分かれる。1)相対論的スピン密度汎関数法に基づくバンド計算法、この計算法をも用いて解析した、2)強磁性体UGe2、3)反強磁性体UO2の電子物性に関する研究である。1)相対論的バンド計算(RBC)法 s、p、d電子系物質を扱うバンド計算法は、基礎面、応用面ともに十分な研究が行われている。しかし、アクチニド化合物のような磁性5f電子を扱うバンド計算法は、非常に複雑でありかつ相対論的アプローチが必要とされるために、その研究が遅れている。本研究では、磁性5f電子に有効な相対論的バンド計算法を定式化した。2)UGe2の電子物性 UGe2は強磁性体であることから、理論による解析が未だ十分に行われていない。そこで、本研究で開発した相対論的バンド計算法を用いてUGe2の電子状態とフェルミ面を解析した。その結果、UGe2は5f電子特有の重い電子系であることが分かり、実験結果と一致する結果を得た。3)核燃料UO2の電子構造 核燃料物質である反強磁性UO2の熱伝導度の振る舞いを把握することは重要である。しかし、熱伝導度に影響を与える電子構造の計算が、相対論的効果を考慮した形では、未だ行われていない。そこで、RBC法を適用し、UO2の電子構造の詳細を明らかにした。

論文

$$^{235}$$U NMR study of antiferromagnet UO$$_{2}$$

生嶋 健司; 安岡 弘志; 筒井 智嗣; 那須 三郎*; 正木 信行; 中村 彰夫; 上田 寛*

Physica B; Condensed Matter, 281-282, p.197 - 199, 2000/06

 被引用回数:2 パーセンタイル:16.21(Physics, Condensed Matter)

U$$^{4+}$$イオンの典型的な超微細構造が、UO$$_{2}$$の反強磁性状態における$$^{235}$$U NMRから得られた。観測された核四重極相互作用は、立方対称性の5f波動関数がT$$_{N}$$以下で軸対称性に変化していることを示している。ウランサイトと酸素サイトの核スピン-格子緩和率は、反強磁性状態においてT$$^{7}$$的な温度依存性を示している。これは、スピン波励起にギャップがないことを示唆している。

論文

Magnetic and neutron diffraction study on perovskites La$$_{1-x}$$Sr$$_{x}$$CrO$$_{3}$$

手塚 慶太郎*; 日夏 幸雄*; 中村 彰夫; 稲見 俊哉; 下条 豊; 森井 幸生

Journal of Solid State Chemistry, 141, p.404 - 410, 1998/00

 被引用回数:79 パーセンタイル:95.73(Chemistry, Inorganic & Nuclear)

ペロヴスカイト型化合物La$$_{1-x}$$Sr$$_{x}$$CrO$$_{3}$$系(x=0,0.05,0.10,0.15,0.20,0.25)の磁気的性質を、磁化率測定及び中性子回折法により検討した。これらすべての系は反強磁性体であり、そのネール温度はLaCrO$$_{3}$$系(x=0)の286KからSr置換とともに単調に減少していくことを明らかにした。またネール温度以下で、ほぼすべての系において、構造変態を含めた少なくとも二種類の磁気転移が存在することがわかった。低温での中性子散乱実験から、これらの構造及び磁気構造を明らかにした。

口頭

Spin transport in metallic antiferromagnetic textures; Interplay of inter-sublattice mixing and s-d exchange interaction

家田 淳一; 山根 結太*; Sinova, J.*

no journal, , 

近年、反強磁性物質が技術応用上の興味を集めている。ここで、反強磁性金属におけるスピン伝導を理解するうえでは強磁性体ベースのスピントロニクスで重要な役割を果たしていたs-d交換相互作用に加え、副格子の自由度を考慮する必要がある。本講演では、それらを考慮することで、反強磁性磁壁の運動や反強磁性共鳴により電圧生成が可能であることを理論的に明らかにする。この結果は、反強磁性体の運動を電気的に検出する新しい手法を提供するため、今後の反強磁性スピントロニクスの展開において重要な役割を果たすことが期待される。また、同様の手法により、反強磁性体におけるスピントランスファートルクの定式化を行う。電子と磁化の交換相互作用と副格子間の電子ダイナミクスを競合するモデルパラメータとして、それぞれが支配的となる二つの極限について調査した。本成果は様々な形態の反強磁性物質におけるスピントルクを定量化する手段を与える。

口頭

Rashba magnetic anisotropy in antiferromagnets

家田 淳一; 前川 禎通

no journal, , 

反転対称性の破れた反強磁性体における磁気異方性を研究する。磁気異方性は、反強磁性秩序パラメータの方向を定める因子であり、その理解と制御は磁気デバイス開発においてあらゆる外部雑音に対する耐性を得る上で大変重要である。また、大きな磁気異方性エネルギーは、強磁性・反強磁性接合における交換バイアスを増強する上でも有利に働くことが知られている。本研究では、反強磁性体の二つの典型的な格子模型を用いてラシュバスピン軌道相互作用RSOと磁気交換相互作用の競合の結果生じる磁気異方性エネルギーを求める。一つ目の模型である大域的RSO模型では、面内磁気異方性から垂直磁気異方性への転移の存在が導かれる。また、もう一方の局所的RSO模型では、常に垂直磁気異方性が導かれる。これは、強磁性体において見いだされたRSO起源の磁気異方性が、空間次元やバンド構造に寄っていたことと対照的である。これらの振る舞いは、反強磁性秩序パラメータの電界による制御等において重要な知見を与える。

口頭

反強磁性体におけるラシュバ効果による磁気異方性

家田 淳一; 前川 禎通

no journal, , 

近年、反強磁性体を舞台としたスピントロニクス現象に注目が集まっている。2014年、我々は強磁性体薄膜においてラシュバスピン軌道相互作用が磁気交換相互作用との競合により磁気異方性を生み出すメカニズムを提出した。今回その理論を、ラシュバスピン軌道相互作用を伴う反強磁性体に拡張する。具体的には、2つの副格子に反強磁性的秩序を持つ格子上の最近接間を飛び移る伝導電子スピンが、オンサイトの交換相互作用と、(a)最近接間、または(b)次近接間にそれぞれ同符号と異符号のラシュバ相互作用を感じる2種類の格子模型を対象とする。これらはそれぞれ、反強磁性薄膜と他物質の界面に生じるラシュバ効果、およびCuMnAsなどに代表される反転対称性が局所的に破れた反強磁性体におけるラシュバ効果の模型となっている。各模型に対して、全エネルギーの反強磁性秩序変数の角度依存性を求め、一軸磁気異方性定数の表式を導出する。(a)の模型では、ラシュバ相互作用の増大に伴い、容易面的な異方性から垂直磁気異方性に転移が生じることが示される。一方、(b)の模型では、ラシュバ相互作用は交換相互作用との競合の結果、常に垂直磁気異方性に対して有利に作用することが示される。

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