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論文

Analysis of ion-irradiation induced lattice expansion and ferromagnetic state in CeO$$_{2}$$ by using Poisson distribution function

山本 優輝*; 石川 法人; 堀 史説*; 岩瀬 彰宏*

Quantum Beam Science (Internet), 4(3), p.26_1 - 26_13, 2020/09

CeO$$_{2}$$セラミックスに高エネルギーイオン(200MeV Xeイオン)照射を行うと格子膨張及び強磁性の変化が起きる。イオントラック損傷の寸法で記述できるポアッソン分布関数を利用すると、それらの変化の照射量依存性がうまく記述でき、容易に予測できるようになることを示した。具体的には、ポアッソン分布関数を利用すると、イオントラックの寸法が決定できること、また、高照射量領域でのイオントラックのオーバーラップ効果も直感的に理解できるようになる。また照射によって発現する強磁性のふるまいも、同じ枠組みで理解できるようになることを示し、物性変化に対しても応用可能である利点を提示した。

論文

Crystal structure and magnetism of MnO under pressure

Klotz, S.*; 小松 一生*; Polian, A.*; 町田 真一*; 佐野 亜沙美; Iti$'e$, J.-P.*; 服部 高典

Physical Review B, 101(6), p.064105_1 - 064105_6, 2020/02

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

マンガン酸化物(MnO)は、反強磁性モット絶縁体の典型物質である。今回、我々は、高圧下においてネール温度$$T_{N}$$を挟んだ温度域で磁気秩序と格子歪の相互作用を、X線および中性子回折により調べた。その結果、体積歪は圧力に対して鈍感であること、$$T_{N}$$$$T_{N}/dP$$=+4.5(5)K/GPaで上昇すること、格子歪$$alpha$$$$dalpha/dP$$=+0.018$$^{circ}$$/GPaで増大することがわかった。これらの結果は、$$J_{1}$$, $$J_{2}$$相互作用定数の原子間距離への影響を調べることや、また第一原理計算による理論予測と比較を可能にする。反強磁性相互作用に起因する散漫散乱は、$${approx}$$1.2$$T_{N}$$まで観測され、長距離秩序は、室温では42GPaで現れる。

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

Current-induced modulation of coercive field in the ferromagnetic oxide SrRuO$$_{3}$$

山ノ内 道彦*; 小山田 達郎*; 佐藤 晃一*; 太田 裕道*; 家田 淳一

IEEE Transactions on Magnetics, 55(7), p.1400604_1 - 1400604_4, 2019/07

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Engineering, Electrical & Electronic)

We investigated the coercive field $$H_{c}$$ for Domain Wall (DW) motion as a function of the current $$I$$ in the ferromagnetic oxide SrRuO$$_{3}$$, a model system with narrow DWs for fabricating high-density spintronics devices. The DW is moved by $$I$$ in the direction of the current, and $$H_{c}$$ is modulated linearly in $$I$$. This linear relationship is consistent with an effective magnetic field $$H_{eff}$$ driving the DW. The direction of DW motion and the magnitude of $$H_{eff}$$ are well described by a model based on the field-like torque arising from the spin relaxation of conduction electrons in the DW.

論文

Negative Te spin polarization responsible for ferromagnetic order in the doped topological insulator V$$_{0.04}$$(Sb$$_{1-x}$$Bi$$_{x}$$)$$_{1.96}$$Te$$_{3}$$

Ye, M.*; Xu, T.*; Li, G.*; Qiao, S.*; 竹田 幸治; 斎藤 祐児; Zhu, S.-Y.*; Nurmamat, M.*; 角田 一樹*; 石田 行章*; et al.

Physical Review B, 99(14), p.144413_1 - 144413_7, 2019/04

 被引用回数:5 パーセンタイル:43.12(Materials Science, Multidisciplinary)

We investigate the microscopic origin of ferromagnetism coupled with topological insulators in V-doped (Sb,Bi)$$_{2}$$Te$$_{3}$$ employing X-ray magnetic circular dichroism and angle-resolved two-photon photoemission spectroscopies, combined with first-principles calculations. We found an magnetic moment at the Te site anti-parallel to that of the V and Sb sites, which plays a key role in the ferromagnetic order. We ascribe it to the hybridization between Te 5${it p}$ and V 3${it d}$ majority spin states at the Fermi energy, consistent with the Zener-type ${it p}$-${it d}$ exchange interaction scenario. The substitution of Bi for Sb suppresses the bulk ferromagnetism by introducing extra electron carriers in the majority spin channel of the Te ${it p}$ states that compensates the antiparallel magnetic moment on the Te site. Our findings reveal important clues to designing magnetic topological insulators with higher Curie temperature that work under ambient conditions.

論文

Effects of Fe doping on anomalous specific heat and XAFS oscillation in antiferromagnetic metal Mn$$_3$$Si

平賀 晴弘*; 大山 研司*; 小坂 昌史*; 松村 大樹

AIP Advances (Internet), 8(10), p.101424_1 - 101424_5, 2018/10

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

The specific heat of Mn$$_{3-x}$$Fe$$_x$$Si was measured over a wide temperature range. Aside from the lattice and electronic specific heat components, another component had a significant contribution to the specific heat at low temperatures in the case of $$x$$ = 0.2; however, its contribution decreased when $$x$$ = 1.0. It is observed that the net component was retained at temperatures significantly higher than $$T_N$$ for both $$x$$. The XAFS spectra of the Mn $$K$$-edge for $$x$$ = 0 not only indicated a smooth structure near the edge, but also an unusually small amplitude in the extended high energy region; however, these features disappeared with Fe doping. The specific heat and XAFS data were discussed interms of the charge degree of freedom or electronic inhomogeneity.

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:61.53(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

Mn$$_{2}$$VAl Heusler alloy thin films; Appearance of antiferromagnetism and exchange bias in a layered structure with Fe

土屋 朋生*; 小林 亮太*; 窪田 崇秀*; 斉藤 耕太郎*; 小野 寛太*; 大原 高志; 中尾 朗子*; 高梨 弘毅*

Journal of Physics D; Applied Physics, 51(6), p.065001_1 - 065001_7, 2018/02

 被引用回数:2 パーセンタイル:75.59(Physics, Applied)

Mn$$_{2}$$VAl Heusler alloy films were epitaxially grown on MgO(100) single-crystal substrates by ultra-high-vacuum magnetron sputtering. A2- and L21-type Mn$$_{2}$$VAl order was controlled by the deposition temperature. A2-type Mn$$_{2}$$VAl films showed no spontaneous magnetization, while L21-type Mn$$_{2}$$VAl films showed ferrimagnetic behaviour with a maximum saturation magnetization of 220 emu/cm$$^{3}$$ at room temperature (RT). An antiferromagnetic reflection was observed with neutron diffraction at RT for an A2-type Mn$$_{2}$$VAl film deposited at 400$$^{circ}$$C. A bilayer sample of the antiferromagnetic A2-type Mn$$_{2}$$VAl and Fe showed an exchange bias of 120 Oe at 10 K.

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:31 パーセンタイル:92.19(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

Magnetoresistance and Hall effect of antiferromagnetic uranium compound URhIn$$_5$$

芳賀 芳範; 松本 裕司*; Pospisil, J.; 立岩 尚之; 山本 悦嗣; 山村 朝雄*; Fisk, Z.*

Journal of Physics; Conference Series, 807(1), p.012015_1 - 012015_4, 2017/04

 被引用回数:1 パーセンタイル:49.68

Transport characteristics of an antiferromagnetic uranium compound URhIn$$_5$$ are studied. The antiferromagnetic transition leads to a formation of a gap on the Fermi surface as demonstrated by a hump in the resistivity behavior as a function of temperature. Hall effect, magnetoresistance and de Haas-van Alphen study consistently demonstrate a small carrier concentration in the antiferromagnetic state suggesting that majority of the Fermi surface vanishes.

論文

Tunable sign change of spin hall magnetoresistance in Pt/NiO/YIG structures

Hou, D.*; Qiu, Z.*; Barker, J.*; 佐藤 浩司*; 山本 慧; V$'e$lez, S.*; Gomez-Perez, J. M.*; Hueso, L. E.*; Casanova, F.*; 齊藤 英治

Physical Review Letters, 118(14), p.147202_1 - 147202_6, 2017/04

 被引用回数:71 パーセンタイル:1.63(Physics, Multidisciplinary)

Spin Hall magnetoresistance (SMR) has been investigated in Pt/NiO/YIG structures in a wide range of temperature and NiO thickness. The SMR shows a negative sign below a temperature that increases with the NiO thickness. This is contrary to a conventional SMR theory picture applied to the Pt/YIG bilayer, which always predicts a positive SMR. The negative SMR is found to persist even when NiO blocks the spin transmission between Pt and YIG, indicating it is governed by the spin current response of the NiO layer. We explain the negative SMR by the NiO "spin flop" coupled with YIG, which can be overridden at higher temperature by positive SMR contribution from YIG. This highlights the role of magnetic structure in antiferromagnets for transport of pure spin current in multilayers.

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:16 パーセンタイル:25.7(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

Interplay between quantum fluctuations and reentrant superconductivity with a highly enhanced upper critical field in URhGe

徳永 陽; 青木 大*; Mayaffre, H.*; Kr$"a$mer, S.*; Julien, M.-H.*; Berthier, C.*; Horvati$'c$, M.*; 酒井 宏典; 服部 泰佑; 神戸 振作; et al.

Physical Review B, 93(20), p.201112_1 - 201112_5, 2016/05

 被引用回数:10 パーセンタイル:40.14(Materials Science, Multidisciplinary)

強磁性超伝導体URhGeでは磁場を($$ab$$)面内に印可した場合に上部臨界磁場が大きく増大することが知られていた。本研究では10%のCoを置換したURhGeにおいて30Tまでの強磁場下でNMR実験を行い、このような超伝導の特異な振る舞いが三重臨界点近傍の磁気揺らぎの強い異方性に起因していることを明らかにした。すなわちこの臨界揺らぎはc軸方向に磁場をかけた場合には急激に抑制されるが、a軸方向の磁場成分にはまったく影響を受けない。このような超伝導と揺らぎの強い相関は量子臨界揺らぎによる超伝導の機構を実験的に強く支持するものである。

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:91.77(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

スピン偏極陽電子ビームの応用研究

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$$_{2}$$MnSiとCo$$_{2}$$MnAlに打込み、消滅$$gamma$$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Co$$_{2}$$MnSi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。

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:100

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

Carrier-mediated ferromagnetism in the magnetic topological insulator Cr-doped (Sb,Bi)$$_{2}$$Te$$_{3}$$

Ye, M.*; Li, W.*; Zhu, S.-Y.*; 竹田 幸治; 斎藤 祐児; Wang, J.*; Pan, H.*; Nurmamat, M.*; 角田 一樹*; Ji, F.*; et al.

Nature Communications (Internet), 6, p.8913_1 - 8913_7, 2015/11

AA2015-0647.pdf:0.64MB

 被引用回数:35 パーセンタイル:9.98(Multidisciplinary Sciences)

磁性元素を添加したトポロジカル絶縁体は、量子異常ホール効果や無散逸伝導などの魅力的な現象の発現が予言され、低消費電力スピンデバイスの開発につながっていくものと期待されている。既に、いくつかの磁性添加トポロジカル絶縁体で長距離磁気秩序が確認されている。しかし、量子異常ホール効果の発現は、極低温におけるCrを添加した(Sb,Bi)$$_{2}$$Te$$_{3}$$系に限られており、強磁性の微視的な起源はほとんど分かっていない。そこで、今回、X線磁気円二色性実験による元素選択的研究を行うことにより、本物質系の強磁性は、母体の正孔キャリアーを媒介としたものであり、Crの3d電子とSbやTeのp電子の相互作用が極めて重要であることを明らかにした。この結果は、異常量子ホール素子の実現に向けても重要である。

論文

Magnetic field dependence of the canted spin moment around the interface between ferromagnetic Ni and antiferromagnetic FeMn revealed by the polarized neutron reflectivity

雨宮 健太*; 酒巻 真粧子*; 水沢 まり*; 武田 全康

JPS Conference Proceedings (Internet), 8, p.034004_1 - 034004_6, 2015/09

The canted magnetic moment around the interface between ferromagnetic Ni and antiferromagnetic FeMn films is observed, and its dependence on the in-plane magnetic field is revealed by means of the polarized neutron reflectivity. The Ni magnetic moment at the interface to the FeMn film is suggested to be canted to the in-plane direction, while that in the inner Ni layers remains rather perpendicular to the film at weak magnetic fields. The interface moment easily rotates to the in-plane direction as increasing the magnetic field, and finally the inner layer moment also aligns in the in-plane direction at higher magnetic fields.

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:50.26(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。

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