Microsoft PowerPoint - summer_school_for_web_ver2.pptx

Size: px

Start display at page:

Download "Microsoft PowerPoint - summer_school_for_web_ver2.pptx"

ゆきさちゅうか
6 years ago
Views:

1 スピン流で観る物理現象大阪大学大学院理学研究科物理学専攻新見康洋

2 スピントロニクスとはスピンエレクトロニクスメモリ産業と深くつながているメモリ産業と深くつながっているスピンハードディスクドライブの読み取りヘッド N 電荷 -e スピンの流れピの流れスピン流 S 巨大磁気抵抗効果 ((GMR)) from M. N. M N Baibich, Baibich A. A Fert, Fert et al., al PRL 1988; G. Binasch, P. Grünberg, et al., PRB

3 スピン流スピン流 : スピン角運動量の流れ 1. スピン偏極電流 F N F 2. 純スピン流 = Baibich et al., Phys. Rev. Lett. 61, 2472 (1988). スピンと電荷両方の流れ e - : 電荷 : スピン I : スピンアップ電流 e - I c ( = I + I ) 0 I s ( = I -I ) 0 スピンのみの流れ I : スピンダウン電流強磁性体金属巨大磁気抵抗効果 = I c ( = I + I ) ) = 0 I s ( = I -I ) 0 スピン軌道相互作用の強い非磁性体トポロジカル絶縁体 3. スピン波スピン流 I s 磁性絶縁体 Y. Kajiwara et al., Nature 464, 262 (2010). 2

4 スピン流純スピン流とスピン波スピン流は正味の電荷の流れを伴っていない!!! 1. 低消費電力素子への応用 ( 応用という観点で重要 ) 2. スピン構造に敏感なプローブとして利用 ( 基礎研究特に複雑なスピン構造をもつ物性の解明に役立つ ) スピン流は保存量ではない!! 観測するためには保存量に変換する必要がある 3

5 スピンホール効果ホール効果 B ローレンツ力 : F = ev F B e - e - e - e - e - e- 金属 ( 非磁性体 ) V 電流 : l C スピンホール効果純スピン流 : I s I I 0 B = 0 V V H =0!! 金属 ( 非磁性体 ) 電流 : l C スピン軌道相互作用によってアップスピンとダウンスピンの散乱方向が異なる 4

6 l c ls ls スピンホール効果の電気的検出正スピンホール効果逆スピンホール効果 (DSHE) (ISHE) I I S C S 非磁性体中では V H = 0 電圧として観測できる変換効率 : スピンホール角 α J J S H = C ρ ρ SHE xx 5

7 金属中でのスピンホール効果の観測逆スピンホール効果の電気的検出スピンポンピング法を用いた手法ピ V SH /I (mω) S. O. Valenzuela and M. Tinkham, Naure 442, 176 (2006). E. Saitoh et al., Appl. Phys. Lett. 88, (2006). 6

8 μ 非局所スピン流注入 μ ε F N N N N I c 強磁性体 μ 非磁性体 λ sf = Dτ sf 2 x 1 2 λ ( μ μ ) = ( μ μ ) λ sf x 7

9 スピン吸収法を用いた逆スピンホール効果の測定逆スピンホール効果 Py (Ni 81 Fe 19 ) I S スピンホール物質 Y. Niimi et al., Phys. Rev. B 89, (2014). I c Cu V H 8

10 スピン吸収法を用いた正スピンホール効果の測定正スピンホール効果 Py (Ni 81 Fe 19 ) I S スピンホール物質 Y. Niimi et al., Phys. Rev. B 89, (2014). Cu V H I c 電流端子と電圧端子を入れ替えるだけで正スピンホール効果の測定も可能 9

11 逆スピンホール効果 CuBi I c Cu 外因性スピンホール効果 (Cu+Bi) Py Py 1 μm H R SHE (mω Ω) Cu 2ΔR SHE Cu 99.5 Bi 0.5 DSHE ISHE Y. Niimi et al., PRL Y. Niimi et al., PRL Y. Niimi et al., PRL V 正スピンホール効果 V (mω) -0.1 T = 10 K CuBi I c Cu Py 1 μm Py H R Py H (Oe) α H CuBi = 24(±9)% Bi ΔR = Δ ISHE R DSHE Onsager の相反定理 10

12 3 つの研究例超伝導スピンホール効果スピンホール効果で観るフラストレート磁性ト磁性強磁性体転移温度近傍でのスピン揺らぎ 11

13 超伝導スピントロニクス e - 電荷スピンスピン 1 重項状態スピン流クーパー対 s 波超伝導体共存できる? 強磁性体やスピンデバイス 12

14 超伝導スピンホール効果 T. Wakamura, Y. N. et al., Nat. Mater

15 超伝導スピンホール効果 T. Wakamura, Y. N. et al., Nat. Mater Py に流す電流を小さくするだけで 2000 倍に! 14

16 準粒子流超伝導スピンホール効果のメカニズム ~1~ Cu NbN λ Q 準粒子はλ Q (~1 μm) まで生き残れる λ Q よりも十分距離を離すと信号が消滅! 準粒子の抵抗は ρ xx からρ qp = ρ xx /f 0 (Δ) = ρ xx (exp(δ/k B T)+1) に増大する 15

17 超伝導スピンホール効果のメカニズム ~2~ 非局所電流と電子温度電荷不均衡非局所電流 I と電子温度 T は等価ジュール熱のエネルギー電子比熱 T I 2 T 2 16

18 3 つの研究例超伝導スピンホール効果スピンホール効果で観るフラストレート磁性ト磁性強磁性体転移温度近傍でのスピン揺らぎ 17

19 フラストレート系 ( スピングラス ) Cu 100-x Mn x S. Nagata et al., Phys. Rev. B 19, 1633 (1979). FC FC ZFC ZFC Mnの分布がランダム RKKY 相互作用がランダム強磁性体と反強磁性体とが競合する系 Mn フラストレートした系に純スピン流を注入するとどうなるか? 18

20 Cu 97 Mn 3 のスピンホール効果 R SHE (m mω) T = 10 K ISHE DSHE H (Oe) スピンホール効果は観測されない! スピンホール効果を観測するためにはスピンを散乱させる機構が必要ピだからBiをスピン散乱体として加える! 19

21 CuMnBi の磁化測定 0.28 T g emu/cm m 3 ) M ( Cu 98Mn Bi FC ZFC T (K) Bi を添加しても T g = 10 K で典型的なスピングラス状態を示す g 20

22 Cu 98 Mn 1.5 Bi 0.5 のスピンホール効果 R SHE (mω Ω) Cu 99.5 Bi 0.5 DSHE ISHE R SHE (mω Ω) Cu 98 Mn 1.5 Bi 0.5 DSHE ISHE 0.05 Cu 99.5 Bi 0.5 DSHE ISHE Cu 98 Mn 1.5 Bi 0.5 DSHE ISHE 2ΔR SHE 0 T = 10 K 0 T = 30 K H (Oe) H (Oe) R SHE (mω) Cu 99.5 Bi 0.5 DSHE ISHE Cu 98 Mn 1.5 Bi 0.5 DSHE ISHE 0 T = 20 K H (Oe) CuBi の ΔR SHE は温度に対して一定一方 CuMnBi の ΔR SHE は温度変化する 21

23 T T* T g ΔR SHE vs T ΔR R SHE (m mω) Cu 99.5 Bi DSHE ISHE Cu 98 Mn 1.5 Bi 0.5 DSHE ISHE T (K) T = 50 Kでは CuBiとCuMnBiに違いはないこのことは Bi 不純物による外因性スピンホール効果を意味している T g よりも高い温度 T* から減衰はすでに始まっている!!! 22

24 Mn 濃度依存性 0.08 ΔR R SHE (m mω) Cu 99.5 Bi 0.5 Cu 99Mn 0.5Bi 0.5 Cu 98.5 Mn 1 Bi 0.5 Cu 98 Mn 1.5 Bi T (K) Mn 濃度を減らすと T* も低温側にシフトするスピンホール効果の減衰は明らかに Mn 不純物の特性に起因している 23

25 スピンホール効果減衰のメカニズム z(τ sk,ν (T T)) G z t 0 = 0.5 t 0 = 1 t 0 = 2 スピン流から電流への変換は Bi 不純物で起こり変換時 Mnモーメントは揺らいでいる T/T g 高温だと揺らぎが激しいため伝導電子とカップルしない T g に近づくにつれて伝導電子は Mn モーメントの揺らぎを感じてスピンの向きがランダムになる定性的に実験結果を再現できる r J C r J S r s 24

26 まとめ純スピン流はスピン角運動量のみの流れ特に基礎研究にはスピン構造を探るプローブスピン構造を探るプローブとして利用できる超伝導体にスピン流を注入すると準粒子の抵抗が増大することが要因となり指数関数的にスピンホール抵抗が増大するフラストレート磁性の典型例であるスピングラスにスピン流を注入すると伝導電子と局在磁性の揺らぎのためにスピンホール抵抗が減衰する 25

スピン流を用いて磁気の揺らぎを高感度に検出することに成功スピン流を用いた高感度磁気センサへ道 1. 発表者 : 新見康洋 ( 大阪大学大学院理学研究科准教授研究当時 : 東京大学物性研究所助教 ) 木俣基 ( 東京大学物性研究所助教 ) 大森康智 ( 東京大学新領域創成科学研究科物理学専攻博士課

スピン流を用いて磁気の揺らぎを高感度に検出することに成功スピン流を用いた高感度磁気センサへ道 1. 発表者 : 新見康洋 ( 大阪大学大学院理学研究科准教授研究当時 : 東京大学物性研究所助教 ) 木俣基 ( 東京大学物性研究所助教 ) 大森康智 ( 東京大学新領域創成科学研究科物理学専攻博士課スピン流を用いて磁気の揺らぎを高感度に検出することに成功スピン流を用いた高感度磁気センサへ道 1. 発表者 : 新見康洋 ( 大阪大学大学院理学研究科准教授研究当時 : 東京大学物性研究所助教 ) 木俣基 ( 東京大学物性研究所助教 ) 大森康智 ( 東京大学新領域創成科学研究科物理学専攻博士課程 1 年 ) 顧波 ( 日本原子力研究開発機構先端基礎研究センター研究員 ) Timothy Ziman