研究内容の紹介

電荷・スピン・フォノン・フォトン・マグノン等の準粒子が、固体中のスピンを媒介として、相互に変換される『スピン変換』は固体物理の一分野として発展を遂げています。当研究室では基礎的なスピン変換の観点から、スピンの関わる新物性の開拓と発現機構の解明に取り組んでいます。以下に研究室で行っている最近の研究の一部を紹介します。
汎用性の高い強磁性体に比べると、これまで日の目を見なかった反強磁性体が一躍注目を集め、反強磁性スピントロニクスとして新しい展開を見せています。本研究では、収束イオンビーム装置を用いることで、図1に示すように、単結晶から切り出したミクロンサイズの機能性反強磁性体Mn3Sn薄体を用いてスピン蓄積を測定するための素子を作製しました。このMn3Sn薄体に電流を流すことで素子表面近傍に生じるスピン蓄積を、強磁性体電極を用いることで電気的に検出することに成功しました。この実験により、スピン蓄積の方向がMn3Sn中のスピンの配列に依存する、『磁気スピンホール効果』を初めて実験的に実証しました。磁気スピンホール効果によって生じたスピン蓄積を用いることで、隣接させた磁性体の磁化を高効率に反転することができるため、応用の面からも注目されている現象です。
生成されます。スピン流はCu/Bi2O3界面に注入され、界面で起こるスピン流-電流変換効果により電流へと変換されて電気的に検出されます。この実験は、準粒子が結合する『強結合スピントロニクス』を目指した研究の一例で、新しい準粒子を生成する基礎的な面白さだけでなく、エネルギーハーベスティングへの応用も期待されています。更に結合強度を増強する素子構造を設計して変換効率の向上を目指し研究を進めています。
また、マグノン（スピン波）やフォノン（格子振動）などの準粒子間の変換で要となる準粒子結合状態の実現もスピントロニクスの重要テーマです。図（2）左のように、基板上に作製した一組の 型電極に高周波電圧を印可することで、表面弾性波を発生することができます。さらに、表面弾性波による格子振動は強磁性体の磁気的な共鳴状態を励起し、図（2）右に示すようにスピン流が生成されます。スピン流はCu/Bi2O3界面に注入され、界面で起こるスピン流-電流変換効果により電流へと変換されて電気的に検出されます。この実験は、準粒子が結合する『強結合スピントロニクス』を目指した研究の一例で、新しい準粒子を生成する基礎的な面白さだけでなく、エネルギーハーベスティングへの応用も期待されています。更に結合強度を増強する素子構造を設計して変換効率の向上を目指し研究を進めています。

ノンコリニア反強磁性体の磁気スピンホール効果: 従来のスピンホール効果に対する磁化の寄与の発見. (a)微細加工されたMn₃Snの上に強磁性体と非磁性体の電極が蒸着されたスピン蓄積検出素子の概略図. (b) 磁気逆スピンホール効果に由来するスピン蓄積信号. Mn₃Snのスピン状態を逆向きにすると, ヒステリシスの符号が逆になる.

分子/金属界面のスピン流-電流変換効果：スピンポンピング法による. (a)分子/金属(PbPc/Cu)界面とスピンポンピングの概略図. (b)スピンポンピングにより誘起されたスピン流-電流変換由来の電圧信号. (c)Cu(111)表面上に吸着された単層PbPc膜の走査型トンネル顕微鏡像.