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常磁性絶縁体/金属接合系におけるスピントロニクス机能の开拓と原理解明
理工学部 物理?材料理工学科 マテリアルコース
助教 大柳 洸一
スピントロニクス、ナノ磁性、固体物理学
概要
岩手大学理工学部大柳洸一助教の研究グループは、常磁性絶縁体と金属の接合系においてスピントロニクスに基づく现象や机能性が现れることを実証し、その原理を解明しました。本成果により常磁性体に立脚した「常磁性スピントロニクス」が确立し、今后、磁気秩序を持たない新たなスピントロニクス材料の研究?开発が进むと考えられます。
背景
电子はマイナスの电荷を持つ粒子で、その流は电流と呼ばれます。この电子の持つ电荷の流れを制御し、様々な机能を作り出す技术をエレクトロニクスと呼びます。一方、电子には电荷に加えて、电子の自転（スピン注1）に由来する磁気の元になる性质を持っています。これまでエレクトロニクスで利用していた电荷に加え、电子の持つスピンの性质を积极的に使うことで新たな现象や机能性を开拓する技术をスピントロニクスと呼びます。これまでにスピントロニクスを利用することでナノスケールの磁石の制御や新たな原理のエネルギー変换が実现し、基础物性から応用に至るまで我が国が世界をリードしています。
スピントロニクスで用いられる现象や机能性を理解するためには电子のスピンに由来する磁気の流れ、スピン流が重要な键となります。スピン流はその磁気の流れという性质から、金属や磁石などの材料を中心に研究が行われてきました。例えば、金属中では伝导电子によってスピン流が流れます。一方、磁石（强磁性体）の中でスピン流を流すにはスピンの向きが一方向に揃うこと（磁気秩序）が不可欠です（図1补）。このように磁気秩序があれば电気を通さない絶縁体ですらスピン流を流すことができるため、磁石（磁気秩序を持つ材料）については基础と応用の両面から近年、研究が进められています。
これに対し、スピンの向きがバラバラな状态を常磁性注2と呼び、常磁性では磁石にはなりません（図1产）。このような磁気秩序がない物质中では磁気秩序を利用したスピン流が流れることは期待できません。特に电気を通さない常磁性の絶縁体は、伝导电子も磁気秩序も利用できないためスピン流を流すことは不可能である、というのがスピントロニクスの常识でした。
研究内容と成果
本研究グループは2019年にこれまでの常识を打ち破り、スピンの向きがバラバラな常磁性の絶縁体であっても长距离にスピン流を伝播できることを実証しました（発表済み论文リスト）。さらに、常磁性体は、强磁性体を同じ温度で利用する场合よりスピン流を高効率に流せることがわかりました。このことから常磁性絶縁体についても有力なスピントロニクス材料として研究?开発が加速する可能性がでてきました。
このように常磁性絶縁体がスピン流を流すことはわかりましたが、これまでスピントロニクスで知られてきた様々な现象や机能性が现れるかどうかは全くわかっていませんでした。そこで本研究グループは常磁性絶縁体と金属の接合系（図2）に着目し、强磁性体でよく知られた现象であるスピンホール磁気抵抗効果*とスピンゼーベック効果*に関して実験、理论の両侧面から検証しました。スピンホール磁気抵抗効果は常磁性絶縁体中のスピン流の制御に、スピンゼーベック効果は常磁性絶縁体を用いたスピン流の生成にそれぞれ関连した现象で、それら现象の有无やメカニズムに関する知见は常磁性絶縁体をスピントロニクスで応用する上で重要です。実験の结果、常磁性絶縁体を用いた场合でも强磁性体と同様にスピンホール磁気抵抗効果が生じることがわかりました（掲载论文1）。さらに、强磁性体に用いられてきた理论モデルを常磁性絶縁体に拡张することで、常磁性絶縁体で観测されたスピンホール磁気抵抗効果/スピンゼーベック効果の结果をよく再现することに成功し、常磁性絶縁体/金属接合系でのスピン流输送のメカニズムの全貌がはじめて明らかになりました（掲载论文1,2）。
今后の展开
従来、スピントロニクス分野では强磁性絶縁体が主に研究されてきましたが、一连の研究によって磁気秩序がない常磁性材料であってもスピン流が伝播できることが実証され、スピン流を生成したり制御するために必要な知见を得ることができました。これらにより常磁性絶縁体に立脚した新たな研究分野「常磁性スピントロニクス」が确立され、第64回原田研究奨励赏の受赏へつながりました（関连ページ）。今后は、これまでスピントロニクスで见过ごされていた磁気秩序を持たない材料群に着目し、これらの现象や原理の普遍性や有効性を确かめ、优れた材料を探すことを目指して研究を展开していきます。
発表済み论文リスト
題目：Spin transport in insulators without exchange stiffness
著者：Koichi Oyanagi, Saburo Takahashi, Ludo J. Cornelissen, Juan Shan, Shyunsuke Daimon, Gerrit E. W. Bauer, Bart J. van Wees, and Eiji Saitoh
誌名：Nature Communications (Impact Factor 16.6).
公表日：2019/10/18
掲载论文
1
題目：Paramagnetic spin Hall magnetoresistance
著者：Koichi Oyanagi, Juan M. Gomez-Perez, Xian-Peng Zhang, Takashi Kikkawa, Yao Chen, Edurne Sagasta, Andrey Chuvilin, Luis E. Hueso, Vitaly N. Golovach, F. Sebastian Bergeret, Fèlix Casanova, and Eiji Saitoh
誌名：Physical Review B (Impact Factor 3.7).
公表日：2021/10/25
2
題目：Mechanism of paramagnetic spin Seebeck effect
著者：Koichi Oyanagi, Saburo Takahashi, Takashi Kikkawa, and Eiji Saitoh
誌名：Physical Review B (Impact Factor 3.7).
公表日：2023/1/27
用语解説
- スピン
电子が持つ角运动量の一种で、电子の自転に例えられる - 常磁性
物质中の电子の自転（スピン）の向きが揃っていない、バラバラな状态のこと - スピンホール効果
电流と垂直な方向にスピン流が生成される现象 - スピンホール磁気抵抗効果
スピンホール効果によって生じる磁気抵抗効果 - スピンゼーベック効果
热流からスピン流を生成する现象
本研究は、以下の研究事业の成果の一部として得られました。
?文部科学省科学研究费补助金?研究活动スタート支援「常磁性体/金属接合における界面スピン注入の研究」研究代表者：大柳洸一
?文部科学省科学研究费补助金?若手研究「磁性ナノ粒子におけるスピン输送现象」研究代表者：大柳洸一
本件に関する问い合わせ先
理工学部 物理?材料理工学科
助教 大柳洸一
019-621-6919
oyanagi@iwate-u.ac.jp