Microsoft PowerPoint - summer_school_for_web_ver2.pptx

「

「スピン流

スピン流で観る物理現象」

で観る物理現象」

「

「スピン流

スピン流で観る物理現象」

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

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！

スピン

ハードディスクドライブの読み取りヘッド スピン ＋ エレクトロニクス メモリ産業と深くつながっている！

N

電荷

_-e

ピ の流れ

スピンの流れ

（スピン流）

S

（スピン流）

from http://en.wikipedia.org/wiki/Disk_read-巨大磁気抵抗効果 (GMR) M N Baibich A Fert et al PRL 1988; and-write_head ( ) 1 M. N. Baibich, A. Fert, et al., PRL 1988;

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

スピン流

: スピン角運動量の流れ

スピンと電荷 両方の流れ e- ：電荷 ：スピン

Baibich et al., Phys. Rev. Lett. 61, 2472 (1988).

＝

両方の流れ I_↑： スピンアップ電流 I_↓： スピンダウン電流 ：電荷 ：スピン e -e F I_c( = I_↑ + I_↓) ≠ 0 I_s ( = I_↑－I_↓) ≠ 0

＝

強磁性体金属 強磁性体金属 F N スピンのみの流れ

2. 純スピン流

巨大磁気抵抗効果 巨大磁気抵抗効果 I_c( = I_↑+ I_↓) = 0

＝

スピン軌道相互作用の強い非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 磁性体、トポロジカル絶縁体 I_sc ( = I_↑－I_↓) ≠ 0 ( _{↑ ↓})

3. スピン波スピン流

I_s 磁性絶縁体磁性絶縁体 Y. Kajiwara et al.,

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

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

を伴っていない

!!!

!!!

を伴っていない

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) (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

スピン流は、保存量ではない

!!

!!

スピン流は、保存量ではない

スピン流は、保存量ではない

!!

!!

観測するために

観測するためには、保存量に変換する必要がある。

は、保存量に変換する必要がある。

3

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 -V 電流_{: lC} 金属（非磁性体） 純スピン流: I_s ≡ I_↑ − I_↓ ≠ 0

スピンホール効果

V _{V = 0!!}

B = 0

V _{VH = 0!!}

“スピン軌道相互作用”によって

“スピン軌道相互作用”によって

金属（非磁性体）

アップスピンとダウンスピンの

アップスピンとダウンスピンの

電流_{: lC}

スピンホール効果の電気的検出

正スピンホ ル効果

逆スピンホ ル効果

正スピンホール効果

(DSHE)

逆スピンホール効果

(ISHE)

l_c l_S l_S 観 き

S

I

I

_S

∝

_C

×

電圧として観測できる C S 非磁性体中ではV_H = 0 5 xx

J

J

ρ

ρ

α

SHE C S H

≡

=

変換効率_{: スピンホール角}

ピ ポ ピ グ法を用 た手法

金属中でのスピンホール効果の観測

逆 ピ ホ 効果 電気的検出 スピンポンピング法を用いた手法 逆スピンホール効果の電気的検出 VSH /I (m Ω )

E. Saitoh et al., Appl. Phys. Lett. 88, 182509 (2006). S. O. Valenzuela and M. Tinkham, Naure 442, 176 (2006).

非局所スピン流注入

μ

μ

μ

μ

ε

_F N_↓ N_↑ N_↓ N_↑

I

N_↓ N_↑ N_↓ N_↑

x

非磁性体

I

_c 強磁性体

x

(

)

1

(

)

₂ 2 ↓ ↑ ↓ ↑ − = − ∇

μ

μ

λ

μ

μ

μ

強磁性体 sf sf

D

τ

λ

=

λ

_sf 7

x

スピン吸収法を用いた逆スピンホール効果の測定

ピ

Py _{スピンホール}

Y. Niimi et al., Phys. Rev. B 89, 054401 (2014).

逆スピンホール効果

(Ni₈₁Fe₁₉) 物質

I

_S Cu

I

_c

V

H

ピ

スピン吸収法を用いた正スピンホール効果の測定

Y. Niimi et al., Phys. Rev. B 89, 054401 (2014).

正スピンホール効果

Py _{スピンホール}

I

_S (Ni₈₁Fe₁₉) 物質 Cu

I

_c

V

H

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

外因性スピンホール効果（

_Cu+Bi

）

逆スピンホール効果 逆スピンホ ル効果 Cu 0.05 0.1 Ω ) Cu_99.5Bi_0.5 DSHE ISHE 2ΔR Y. Niimi et al., PRL 2011. Y. Niimi et al., PRL 2012. Y. Niimi et al., PRL 2013. Py Cu CuBi I_c Py 1μm 0 R SH E (m Ω Cu 2ΔR_SHE H_⊥ V Py -0.1 -0.05 R T = 10 K V V 正スピンホール効果 (m Ω ) Py Cu C Bi -10000 0 10000 85 R Py CuBi Py 1μm H_⊥ I_c H⊥ (Oe)

α

_HCuBi

₌

−24(±9)%

Bi DSHE ISHE R R = Δ Δ Onsagerの相反定理

３つの研究例

超伝導スピンホ ル効果

超伝導スピンホール効果

スピンホ ル効果で観るフラストレ ト磁性

スピンホール効果で観るフラストレート磁性

強磁性体転移温度近傍でのスピン揺らぎ

強磁性体転移温度近傍でのスピン揺らぎ

11

超伝導スピントロニクス

e

-電荷 スピン

スピン流

スピン1重項状態

クーパー対

クーパー対

共存できる？

共存できる？

s波超伝導体 強磁性体やスピンデバイス

共存できる？

共存できる？

超伝導スピンホール効果

T Wakamura Y N et al Nat Mater 2015 T. Wakamura, Y. N. et al., Nat. Mater. 2015.

超伝導スピンホール効果

T Wakamura Y N et al Nat Mater 2015 T. Wakamura, Y. N. et al., Nat. Mater. 2015.

超伝導スピンホール効果のメカニズム

_~1~

準粒子流

Cu NbN λ_Q ¾ 準粒子は

λ

_Q(~1 μm)まで生き残れる。 ¾

λ

_Qよりも十分距離を離すと、信号が消滅! 15 Q 滅 ¾ 準粒子の抵抗は、

ρ

_xxから

ρ

_qp =

ρ

_xx /f₀(Δ) =

ρ

_xx(exp(Δ/k_BT)+1) に増大する。

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 ジュール熱のエネルギー 電子比熱 × T ¾ 非局所電流 I と電子温度 T は等価。 ∝ I2 ∝ T2

３つの研究例

超伝導スピンホ ル効果

超伝導スピンホール効果

スピンホ ル効果で観るフラストレ ト磁性

スピンホール効果で観るフラストレート磁性

強磁性体転移温度近傍でのスピン揺らぎ

強磁性体転移温度近傍でのスピン揺らぎ

17

フラストレート系（スピングラス）

FC

Cu

_100-x

Mn

_x

S. Nagata et al., Phys. Rev. B 19, 1633 (1979).

FC

FC

Mnの分布がランダム

ZFC

FC

_{→ RKKY相互作用がランダム} 強磁性体と反強磁性体と が

ZFC

が競合する系 Mn Mn

Cu

₉₇

Mn

₃

のスピンホール効果

0.1

T

= 10 K

ISHE

DSHE

0.05

m

Ω

)

DSHE

0

R

SHE

(

m

-0.05

R

-5000

0

5000

-0.1

H

(Oe)

H

(Oe)

スピンホール効果は観測されない_! ピ ピ 散 構が 19 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。 だからBiをスピン散乱体として加える!

T

CuMnBi

の磁化測定

0.28

T

g

Cu

₉₈

Mn

_{1 5}

Bi

_{0 5}

0.27

FC

ZFC

m

3

)

98 1.5 0.5

0.26

ZFC

em

u/

cm

0.25

M

(

0

10

20

30

0.24

T

(K)

Biを添加しても T_gg = 10 Kで典型的なスピングラス状態を示す。

0 2

Cu

₉₈

Mn

_1.5

Bi

_0.5

のスピンホール効果

0 2 0 1 0.15 0.2 Ω ) Cu99.5Bi0.5 DSHE ISHE 0 1 0.15 0.2 Ω ) Cu99.5Bi0.5 DSHE ISHE 0.05 0.1 RSHE (m Ω DSHE ISHE Cu98Mn1.5Bi0.5 0.05 0.1 RSHE (m Ω DSHE ISHE Cu98Mn1.5Bi0.5 2ΔR_SHE -10000 0 10000 -0.05 0 T = 10 K -10000 0 10000 -0.05 0 T = 30 K 2ΔR_SHE H (Oe) H (Oe) 0.15 0.2 ) Cu99.5Bi0.5 DSHE ISHE 0.05 0.1 RSHE (m Ω ) DSHE ISHE Cu98Mn1.5Bi0.5 10000 0 10000 -0.05 0 R T = 20 K 21 -10000 0 10000 H (Oe)

Δ

R

_SHE

vs T

T

T*

0.08

T

_g

T

0.06

m

Ω

)

Cu_{99 5}Bi_{0 5}

0.04

R

SHE

(

m

DSHE ISHE Cu_99.5Bi_0.5

0.02

Δ

R

DSHE ISHE Cu₉₈Mn_1.5Bi_0.5

0

20

40

60

80

100

0

T

(K)

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。 果 。 T よりも高い温度T*から減衰はすでに始まっている!!!

Mn

濃度依存性

0.08

0.06

m

Ω

)

0.04

R

SHE

(

m

Cu

_99.5

Bi

_0.5

Cu

₉₉

Mn

_0.5

Bi

_0.5

0.02

Δ

R

99 0.5 0.5

Cu

_98.5

Mn

₁

Bi

_0.5

Cu

₉₈

Mn

_1.5

Bi

_0.5

0

20

40

60

80

100

0

T

(K)

T

(K)

Mn濃度を減らすと、T*も低温側にシフトする。 ピ ホ 効果 減衰は 明らか 純物 特性 起因 る 23 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。

スピンホール効果減衰のメカニズム

T )) t₀ = 0.5 t₀ = 1 t₀ = 2 z (

τ

sk ,

ν

(T t0 2 G z ¾ 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 T/T_g 揺らいでいる。 ¾ 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。 ¾ 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。}

s

J

J

r

_CC

∝

r

_SS

×

r

定性的に実験結果を再現できる。

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。

には、

スピン構造を探るプロ ブ

スピン構造を探るプロ ブ

として利用できる。

超伝導体

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

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

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

スピン

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

スピン

ホール抵抗が減衰

ホール抵抗が減衰

する。

25