Research projects

This research aimed to develop a fundamental understanding of the conversion between spin and charge currents and to establish methods to control the spin-charge conversion, which are indispensable to construct a new principle of electronic technology based on spin-orbit interaction. Our results provide a systematic understanding of the interface spin conversion and reveal new phenomena of the spin-charge conversion arising from interface and bulk spin-orbit interaction. Furthermore, we have established electrical and optical ways to control the spin-current conversion using oxidation, organic molecules, and ionic liquids.

The generation of spin currents using spin-orbit coupling has been the foundation of modern spintronics. The spin-current generation provides novel phenomena and functionalities, such as electrical manipulation of magnetization through spin-orbit torque. This study explored the spin-orbit torques originating from spin currents and spin polarization due to interfacial and bulk spin-orbit coupling based on the oxidation level control of spintronics devices. Our results provide insights for controlling the interfacial and bulk spin-orbit torques.

One of the important challenges to understand the spin transport in magnetic insulators is to clarify the magnon wavenumber and energy dependence of the spin injection into antiferromagnetic insulators. In this study, we measured the interfacial spin exchange and spin transport in a ferrimagnetic-insulator/antiferromagnetic-insulator junction by using a nonlinear spintronics phenomenon. We found that magnons with large wavenumbers can effectively inject spins into the antiferromagnetic insulator. This result illustrates an important role of the interfacial exchange bias in the spin current injection into antiferromagnetic insulators.

物質中の電子は電荷・スピン・軌道の自由度を持ち、電流とスピン流は現代の産業・電子物理の基盤である。一方、軌道自由度に対応する「軌道流」は存在そのものが実験的には明らかではなかった。本研究は、軌道流まで包括する「角運動量流」の生成・変換・制御原理を体系化することで、従来の電子技術の延長線上にはない新たなテクノロジー体系「スピン軌道エレクトロニクス」の基盤を構築するものである。 2022年度は、強磁性体における軌道流の長距離伝導を観測することに成功した。強磁性体では、spin dephasing機構によってスピン流は数原子層で消失する。一方、軌道流にはこの機構が作用せず、強磁性体において10 nm以上もの距離を伝導する証拠が今回得られた。スピン流と軌道流はいずれも電子の角運動量の流れであり、両者を区別する困難さから、軌道流の存在はこれまでの研究の中でスピン流に隠されてきた。今回の結果は、スピン流と軌道流の本質的違いを明らかにしたものであり、軌道流の存在を強く示す証拠であるだけでなく、今後の軌道流研究の基本的手法となることが期待される。上記成果は、軌道流が特に顕在化することが期待されたスピン軌道相互作用の弱い系において得られたものである。これに対し、スピン軌道相互作用が強い系ではスピン流と軌道流の競合が期待される。そこで、スピントロニクスで最も広く用いられてきた重金属の一つである5d遷移金属Wに注目し、強磁性金属/W構造における電流誘起トルクを系統的に調べた。強いスピン軌道相互作用のため、この系における角運動量ダイナミクスを支配しているのはスピンホール効果とスピン流であるとこれまで考えられてきた。しかし今回、強いスピン軌道相互作用に特徴づけられるこの系においても、軌道ホール効果と軌道流が重要となることが明らかになった。特に、薄膜領域ではスピンホール効果によるスピン流、厚膜領域では軌道ホール効果による軌道流が電流誘起トルクを支配していることを見い出した。本研究の開始以前、軌道流は、数原子層で消失すると予想されていた。今回観測されたスピントルクと軌道トルクのクロスオーバーは、軌道流がスピン流よりも一桁以上長距離伝導することを示すものであり、角運動量輸送における軌道自由度の重要性を明らかにしたものである。以上の成果をCommunications Physics 6, 32 (2023)に発表した。 これまでの研究により、軌道流の検出手法を確立し、軌道流が顕在化する系を特定することに成功しただけでなく、軌道流の長距離伝導の観測という期待以上の結果を得るに至った。これにより本研究計画の基盤が構築されたといえる。また、エピタキシャル試料においても軌道流測定が可能となる系を見出しており、軌道流の基礎物性を明らかにするための準備を整えることができた。 これまでの研究により、スピン軌道相互作用が弱いTiにおいて軌道流が支配的となることを見出し、スピンホール効果と軌道ホール効果が逆符号であるWにおいてスピン流と軌道流の競合を明らかにした。この一連の研究の仕上げとして、スピン流と軌道流の相加効果が期待される重金属における軌道流の役割を明らかにする。さらに、エピタキシャル試料における軌道ホール効果・軌道ラシュバ効果による角運動量輸送に関する研究に取り組む。

本研究は，科研費若手研究（A），JSTさきがけの予算を受け，NAND・NORの動作を実証した『スピン波を用いた多入力位相干渉素子』を発展させ，多入力処理に特化したスピン波電子集積回路デバイスの作製を目指す。これまでの研究で，スピン波のデバイスとしての強みが明らかになったが同時に弱みも分かった。そこで，スピン波だけを使うだけではなく，スピン波回路を電子回路と融合する開発路線の優秀性を示そうとするものである。このための要素技術とし，スピン波の増幅・多段化の実証，および，磁性材料を電子回路と一体化し，電子回路によるスピン波の励起・検出・制御を行うことを目指す。

磁性体中に発現するナノサイズの磁気渦「磁気スキルミオン」は (1)ナノスケールの極小サイズと，(2)トポロジカルに保護された安定性，(3)室温を超える動作温度，（4） 高い省電力性，といった磁気デバイスへの応用に最適な性質をいくつも持っています。これらの性質を生かし、近い将来の高度情報化社会を担う「磁気メモリ」や「磁気センサ」、「脳型情報処理素子」の実現を目指し、これらの素子の基盤となる「高性能な磁気材料」と「生成・消去・検出・伝送といった要素技術」を「理論設計」と「実験実証」により開発します。これにより、スキルミオンを使った次世代エレクトロニクスである「スキルミオニクス」の創出を目指します。 空間反転対称性を持つ金属磁性体を記述する近藤格子模型において、マイクロ波電磁場を照射した時の局在磁化の時間発展を数値的にシミュレーションする計算コードを開発し、円偏光マイクロ波照射による磁気トポロジーのスイッチングができることを理論的に実証した。2009年に中性子小角散乱実験によってキラル磁性体であるB20化合物中で発見されて以来、スキルミオンをはじめとするトポロジカル磁性は、DM相互作用が活性になるキラル磁性体や極性磁性体といった空間反転対称性の破れた磁性体での発現するものだと、素朴に信じられてきた。しかし近年、空間反転対称な結晶構造を持つ様々な金属磁性体において、スキルミオンやそれに類似したトポロジカル磁性が発現していることが発見されている。このような系の長所は、キラル磁性体や極性磁性体では凍結してしまっているvorticity（渦度）やhelicityと言った、磁気構造の持つ自由度が凍結せずに生き残っている点にある。このような自由度を、光やマイクロ波、その他の外場や外部刺激によって操作・制御できれば、新しい物質機能として利用できる可能性がある。本研究により、実際に円偏光マイクロ波の照射により、磁気トポロジーを高速にスイッチできることや、マイクロ波のパラメータ（強度や周波数）を調節することでトポロジカル数が「２」、「１」、「０」の間をある程度自在に飛び移れること、動的相転移であるこを反映して「決定論的」、「確率的」、「時間揺らぎ的」といった様々な相転移の様相が現れることを明らかにした。これは、空間反転対称性を持つ金属磁性体のスキルミオンの技術応用に向けた重要な成果に位置づけられる。また、これ以外にも、物質のトポロジカルな性質に関する書籍において、スキルミオンのマイクロ波ダイオード効果に関する章を執筆した。 2021年度に着任を予定していた研究員（台湾国籍）がコロナ感染拡大による入国制限により入国が1年以上遅れ、この研究員と進める予定であった、「スキルミオンのリザバー型情報処理応用の実証研究」に大きな支障が生じた。キラル磁性体の薄片試料に閉じ込めたスキルミオン結晶中を伝わるスピン波を活用したリザバーに、「汎化性」、「非線形性」、「短期記憶性」というリザバーに要求される性質や性能が高いレベルで備わっているかどうかを数値計算により検証する研究計画であった。それぞれの性能指標を調べるために、これらの性能を定量的に検証する典型的なテスクである「信号時間推定タスク」、「パリティチェックタスク」、「短期記憶タスク」を採用し、数値計算による性能実証を目的としたプログラムコードの開発に取り組んだ。しかし、オンライン会議ツールやメールを使った議論を頻繁に行い、定期的に研究進捗を報告させるなど、少しでも研究の進展に影響がでないように努力をしたが、コード開発の詳細な部分を突き詰める場面において、対面で画面や資料を並べて見ながら議論できないことが大きな支障となった。そのため、当初予定していた「スキルミオンのリザバー型情報処理応用の実証研究」にはやや遅れがみられる。しかし、同時に、計画を前倒しして取り組んだ上述の「空間反転対称性を持つ磁性体の磁気トポロジーのマイクロ波照射による操作・制御の理論実証研究」では期待していた以上の成果が出ている。これらを総合的に勘案して、本研究課題の進捗状況を「おおむね順調に進展している」と評価した。 １）スキルミオン結晶中を伝搬するスピン波を活用した「スキルミオンスピン波リザバー素子」について、ここまでの研究期間で行ってきた、リザバーとしての基本性能を実証する理論研究を発展させ、より実用的な性能の検証タスクである「手書き数字認識タスク」による性能実証を行う。０から９までの無数の手書き数字画像のデータベースを利用し、手書き数字を認識できるかどうかを検証する。さらに、入力・出力ノードの数や位置、時間方向のデータ読取り点（仮想ノード）の設定、入力信号の強度・幅などを最適化し、より高い認識率を実現するための設計指針を明らかにする。 ２）スピン軌道トルクを利用した電流によるスキルミオンの生成・駆動方法を理論設計する。スキルミオンを電流により制御することは、メモリ素子をはじめとするスキルミオンのスピントロニクス応用に欠かせない基盤技術である。これまでに、電流の伝導電子が持つスピン角運動量が局在磁化に移行することで、磁気構造を駆動する「スピン移行トルク」を利用したスキルミオンの駆動や生成が精力的に研究されてきた。これは、キラル磁性体のスキルミオンを電流で制御することを念頭に置いている。しかし近年、磁気多層構造において界面DM相互作用により発現するスキルミオンが注目を集めている。このような系のスキルミオンの操作には、スピン移行トルクではなく、スピン軌道トルクを利用することが試料の構造上自然である。このスピン軌道トルクを用いた磁気多層膜系のスキルミオンの電流による生成・駆動方法を理論的に探索・予言する。 ３）その他に、3次元金属キラル磁性体で発見されている磁気ヘッジホッグ格子のマイクロ波応答やスピン波モードを明らかにし、この磁気構造のマイクロ波に関連した機能や現象を探索したり、磁気・電気双極子相互作用の協力に起因する新しいトポロジカル磁気構造と発現機構を探索・解明したりする。

本研究は、Cuの自然酸化により見出された巨大スピンホール効果を足掛かりに、金属へテロ構造における電流からスピン流への変換とこれに伴い現れるスピン軌道トルクの制御手法確立を目指すものである。本研究により、Cuにおいて初めて見出された酸化によるスピン軌道トルク効率の増大は、スピン軌道相互作用の弱い金属に限らず、既に顕著なスピンホール効果を示し、スピン軌道トルク源として既に多くの研究が進められてきたPtにおいても発現することを明らかにした。強磁性金属に対して数桁抵抗率の大きいPt酸化物を用いても巨大なスピン軌道トルクが生成されることを見出し、これを用いて酸化物絶縁体/強磁性金属/酸化物絶縁体という構造における電流誘起磁化反転を実現した。本研究の重要な点は、絶縁性のスピン軌道トルク源により、スピン軌道トルクからバルクスピン軌道相互作用からの寄与を完全に排除した、純粋に界面スピン軌道相互作用によるスピン軌道トルク生成を定量することが初めて可能となったことである。また、Au/強磁性金属構造において生成されるスピン軌道トルクが極薄膜領域のみにおいて強い膜厚依存性を示すことを見出した。超薄膜化により発現するスピン流変換は、Au表面あるいは界面のスピン軌道相互作用によるものであると考え、イオン液体によるAu超薄膜へのキャリアドーピング効果を調べた。この結果、Auに流れた電流が作るスピン軌道トルクは、イオン液体による正負のゲーティングによって可逆的に変化し、その変化量はゲート電圧に比例することが明らかになった。これまで金属系のスピン軌道トルクを外部から制御することは困難であり、高々数%の変化しか実現されていなかった。しかし、今回の研究によって、1Vの電圧印加によりスピン軌道トルク効率を50%変化させられることが明らかになった。 平成30年度が最終年度であるため、記入しない。 平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

We have conducted versatile researches aiming at comprehensive elucidation of optical spin conversion in various spin systems. The contribution of energy and angular momentum transfer processes to the all-optical magnetization switch has been established. Inverse magneto-electric effect in antiferromagnets have been studied experimentally and theoretically, indicating the universality of that effect. Moreover, we have developed novel technologies; derivation of magnon dispersion relation from time-spatial resolved measurements, observation of helicity dependent magnon modes, and terahertz generation. We have also elucidated that the united understanding of the spin current generation mediated by magon excitation via non-linear spin conversion at the interface is possible. Furthermore, we have verified the conversion of quantum states from single photons to single electron spins and have shown the feasibility of the conversion of entanglement from photon pair to electron spins.