スピントロニクス研究開発センター

■当該年度事業計画に対する実施内容、および研究成果と達成度

本年度は、電子スピンを利用した全く新しいデバイス応用に結び付ける研究を実施した。下記は、その結果の一例である。

（１）高品質ジスプロシウム薄膜の磁気相転移を用いたスピンポンピング効率の巨大変調の実現：本研究では、単結晶ジスプロシウム(Dy)における磁気相転移を用いたスピンポンピングの大幅な変調を報告した。さらに、Dyが常磁性相と反強磁性相を示す温度領域において、多結晶Dyよりもスピン輸送可能な距離が増加することを発見した。この成果は、電子スピンの流れをデバイス動作に用いるスピントロニクスデバイスの高性能化につながるものであり、Applied Physics Express誌に掲載された。
（２）チタン／タングステン傾斜材料のスピントルク効率と傾斜界面構造の相関解明：本研究では、チタンとタングステン薄膜の界面にナノスケール組成勾配を作製し、スピントルク生成効率が増加することを実証した。さらに、本効果が組成勾配界面の構造乱れに敏感であることを発見した。これらの成果は、組成勾配界面を用いた全く新しいスピントロニクス材料開発の道を拓くものとして注目されており、Physical Review B誌に掲載された。
（３）液体金属の非定常流を用いたスピン流生成：力学的な回転を利用したスピン流生成の実現例として、液体金属の定常流に伴う渦度によるスピン流生成が観測され、注目を浴びている。本研究は液体金属の非定常流に注目し、それに伴う渦度によって駆動されるスピン流の理論解析を行った。流体の非定常流によるスピン流生成に着目した初めての研究であり、流体のスピントロニクスへの応用範囲の拡大に繋がると期待される。なお本成果は、Journal of Magnetism and Magnetic Materialsに掲載された。
（４）差動回転によるスピン流生成：最近、液体金属流の渦運動や表面弾性波に伴う格子回転など、剛体回転を局所化させた渦度と電子スピンの結合（スピン・渦度結合）によるスピン流生成が実現され、注目を浴びている。一方、剛体回転の局所化として、一軸周りの回転の角速度を空間的に非一様化させた差動回転も考えられる。その中には渦度なしの差動回転も存在し得るため、それと電子スピンの相互作用は従来の理論によって解析することができない。本研究は、差動回転によるスピン流生成メカニズムについて微視的な解析を行なった。その結果、差動回転からスピン流が生成されることを示し、それがスピン緩和と本質的に関係することを明らかにした。電子スピンと力学回転の微視的な結合メカニズムを明らかにし、力学回転を用いた新たなスピンデバイスの発展に寄与する成果であり、現在論文投稿中である。
（５）カイラルフォノンによる界面スピン流生成：最近、カイラルフォノンによるスピン流生成が盛んに研究されている。このメカニズムは、従来必須であったスピン軌道相互作用を必要としないため注目を浴びている。一方で、その背後にある物理的なメカニズムは明らかになっていない。本研究は、電子スピンとカイラルフォノンに伴う結晶の微小回転の結合（スピン・微小回転結合）に着目し、カイラルフォノンから誘起されるスピン流の微視的な解析を行った。その結果、カイラル絶縁体へ温度勾配を印加することにより、金属へスピンが注入されるがわかった。本研究は、カイラルフォノンによるスピン流生成の微視的起源を提案するものであり、重元素を用いないスピントロニクスデバイスの開発にブレークスルーをもたらすと期待される。なお研究成果は国際学会MRM2023にて発表済みであり、現在論文投稿中でもある。

以上の成果は、中国科学院大学カブリ理論科学研究所、国立研究開発法人物質・材料研究機構（NIMS）、東京大学物性研究所、中央大学との共同研究として本センターの所員と特任助教が主導したものである。このように、本センターを介した密接な研究交流によるものであり、当初の目的を達成している。

■公刊論文数（件数と主たる公刊誌名）、学会発表件数（国内・国際）、イベントなど社会貢献の実績（年月日、場所）

（１）公刊論文数：16報（Physical Review B (IF=3.7 @2022)など）
（２）学会発表件数：（国内）１３件（うち２件は招待講演）、（国際）１０件（うち４件は招待講演）
（３）イベントなど社会貢献の実績：日本磁気学会との研究会の共催、Spin-RNJ研究発表会（2024年3月17日-18日オンサイト方式）の開催（東大・東北大・阪大・京大・慶大による共同開催）など

■センター活動を通じて特に成果を挙げた事柄

社会実装可能な研究成果として、巨大スピン流生成が可能な人工ナノ合金とナノスケール傾斜材料の発見がある。国内外で激しい開発競争が繰り広げられている次世代磁気メモリの省電力化に貢献できる新しい材料として位置づけられる。なお本件は、慶大知財部門からの特許申請を準備しており、社会実装に向けた着実な成果といえる。

■当該年度事業計画に対する実施内容、および研究成果と達成度

本年度は、電子スピンを利用した全く新しいデバイス応用に結び付ける研究を実施し、次のような成果を得た。

1. ビスマスと磁性体の接合系における異方的なスピン注入
   本研究では、ビスマスと強磁性絶縁体の二層薄膜系を考え、スピンポンピングによる強磁性共鳴の緩和変調についてスピントンネルハミルトニアンの方法を用いた微視的な解析を行った。結果として、ビスマスのバンド構造に依存して緩和変調に異方性が現れることを見出した。これは強磁性共鳴が電子系の異方的なバンド構造へのプローブとして応用されうることを示唆する。本成果はPhysical Review B誌に掲載された。
2. s波超伝導体における表面弾性波を用いたスピン流生成
   超伝導体は長距離スピン輸送などスピントロニクスへの応用が期待されてきたものの、電場や磁場の利用が困難であるため、スピン流生成には強磁性体との接合が不可欠であった。本研究は表面弾性波の持つ角運動量を用いることで、磁性体を接合させることなく超伝導体単膜においてスピン流が生成されることを理論的に示した。これは超伝導スピントロニクスの発展に寄与し得る。本成果はPhysical Review B誌に掲載された。

(1)、(2)の成果とも、中国科学院大学カブリ理論科学研究所との国際共同研究の成果である。さらには、成果は本センターの特任助教が主導したものである。このように、本センターを介した密接な研究交流によるものであり、当初の目的を達成している。

■公刊論文数（件数と主たる公刊誌名）、学会発表件数（国内・国際）、イベントなど社会貢献の実績（年月日、場所）

(1) 公刊論文数：5報

1. Enhancement of room-temperature unidirectional spin Hall magnetoresistance by using a ferromagnetic metal with a low Curie temperatureK. Yamanoi, H. Semizu, and Y. Nozaki Phys. Rev. B, 106, L140401 (5 pages) (2022).
2. Temporal-offset dual-comb vibrometer with picometer axial precisionA. Iwasaki, D. Nishikawa, M. Okano, S. Tateno, K. Yamanoi, Y. Nozaki, and S. Watanabe APL Photonics, 7, 106101 (8 pages) (2022).
3. Spin Elastodynamic Motive ForceT. Funato and M. Matsuo Phys. Rev. Lett., 128, 077201 (5 pages) (2022).
4. Spin pumping into anisotropic Dirac electronsT. Funato, T. Kato, and M. Matsuo Phys. Rev. B, 106, 144418 (10 pages) (2022).
5. Acoustic spin transport by superconducting quasiparticlesT. Funato, A. Yamakage, and M. Matsuo Phys. Rev. B, 106, 214420 (7 pages) (2022).

(2) 学会発表件数：（国内）15件（うち4件は招待講演）、（国際）7件
・国内会議発表
非一様系の局所角運動量に由来する磁気回転効果を用いたスピントロニクス能崎幸雄 2022年 第83回応用物理学会秋季学術講演会, 21p-A307-7, 東北大, Sep. 20-23, 2022.
ほか14件

・国際会議発表
Theory of Spin Elastodynamic Motive ForceT. Funato, M. Matsuo, 24th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces (ICMFS-2022), Okinawa, Japan, Jul. 10-15, 2022.
ほか6件

(3) イベントなど社会貢献の実績：
「スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワーク（Spin-RNJ）」シンポジウム Spin-RNJ 報告会（東大・東北大・阪大・京大・慶大による共同開催）
・2022年3月10日、オンラインの開催
・2023年3月20日-21日、オンサイトの開催
など

■センター活動を通じて特に成果を挙げた事柄
社会実装可能な研究成果として、音波の磁気回転効果に関する研究の副産物である人工ナノ合金とナノスケール傾斜材料による巨大スピン流生成と、固体中の音波によるスピン起電力の発現がある。スピン流を用いた磁気メモリ動作の飛躍的な省電力化と、スピン流生成材料の新たな開発基軸を与える研究成果として位置づけられる。また、電流印加が必須の交流磁場ではなく、電圧制御が可能な音波によるスピン起電力生成は、実デバイス化において消費電力を大きく抑制できるため、今後様々な応用展開が見込める。なお本件は、慶大知財部門からの特許申請につながっており、社会実装に向けた着実な成果といえる。

■当該年度事業計画に対する実施内容、および研究成果と達成度

本年度は、電子スピンを利用した全く新しいデバイス応用に結び付ける研究を実施し、次のような成果を得た。

1. 「非一様物質中の電流渦を用いたスピン流生成法の開発」磁気回転効果は、物質の磁気の源が電子の回転運動であることを示す普遍的な物理現象であり、全く新しい磁気制御方法として期待されていた。しかし、その効果の大きさは、最新の遠心分離器で回転させても地磁気よりも弱く、物質の磁気制御に使えなかった。研究グループは、電気伝導度をナノメートル幅で変調させた傾斜材料を人工的に作製し、プラチナに匹敵する巨大なスピン流を生成できることを世界で初めて発見した。
2. 「音波を用いたスピン起電力生成法の開発」強磁性薄膜に音波を注入すると、磁気回転効果と磁気弾性効果の交差効果としてスピン起電力が発生することを新たに理論予言した。

1.、2.の成果とも、中国科学院大学カブリ理論科学研究所との国際共同研究の成果である。さらには、2.の成果は本センターの特任助教が主導したものである。このように、本センターを介した密接な研究交流によるものであり、当初の目的を達成している。

■公刊論文数（件数と主たる公刊誌名）、学会発表件数（国内・国際）、イベントなど社会貢献の実績（年月日、場所）

公刊論文数：4報（Physical Review Letters (IF=9.161 @2020)など）
学会発表件数：（国内）7件、（国際）7件

イベントなど社会貢献の実績：
Spin-RNJ研究発表会（2022年3月10日、オンライン予定）の開催（東大・東北大・阪大・京大・慶大による共同開催）など

■センター活動を通じて特に成果を挙げた事柄

研究成果において、実用化に向けた展開が期待できるものとして、(1)表面弾性波におけるスピン流源の空間分布を調査した研究の副産物である「ナノスケール傾斜材料による巨大スピン流生成」と、(2)表面弾性波の格子回転を利用した「スピン起電力の発現」が挙げられる。(1)では、アモルファスSiと多結晶Al複合材料において、巨大なスピン流が生成できること、更には電流とスピン流の変換が極めて非相反的であることを発見した。スピン流を用いた磁気メモリ動作の飛躍的な省電力化と、スピン流生成材料の新たな開発基軸を与える研究成果である。(2)は、交流磁場ではなく音波を用いて強磁性体に直流のスピン起電力を発現できることを理論予言したものである。電流印加が必須の交流磁場ではなく、電圧制御が可能な音波によるスピン起電力生成は、実デバイス化において消費電力を大きく抑制できるため、今後様々な応用展開が見込める。
なお本件は、2022/02付でプレスリリースされた。
『磁気回転効果を用いて磁性体から起電力を取り出す機構の発見－音波を用いたスピントロニクスデバイス応用へ－』（2022年2月21日プレスリース）

■当該年度事業計画に対する実施内容、および研究成果と達成度

本年度は、電子スピンを利用した全く新しいデバイス応用に結び付ける研究を実施し、次のような成果を得た。
（１）「物質中の音波を用いた新しい磁気生成法の開発」磁気回転効果は、物質の磁気の源が電子の回転運動であることを示す普遍的な物理現象であり、全く新しい磁気制御方法として期待されていた。しかし、その効果の大きさは、最新の遠心分離器で回転させても地磁気よりも弱く、物質の磁気制御に使えなかった。研究グループは、1秒間に10億回以上の速さで原子が局所的に回転する音波がニッケル鉄合金磁石に巨大な磁気回転効果（地磁気の10万倍以上）を発生することを世界で初めて発見した。
（２）「巨大な非相反性を持つスピン波ダイオードの開発」磁石と半導体を組み合わせた複合材料において、音波の注入方向と磁気の向きにより、磁気の波「スピン波」の振幅を大きく変調できることを発見した。従来の方法では、磁石をナノメートルスケールの厚さにすると順方向と逆方向に伝搬するスピン波の振幅が同等になり、スピン波の整流動作を実現することが困難だった。本研究グループは、膜厚が20ナノメートルの薄膜ニッケル磁石と400ナノメートルの半導体シリコンを組み合わせたニッケル／シリコン複合材料（複合材料）を作製し、逆方向のスピン波振幅を順方向の12分の1以下に低減できることを明らかにした。
特に（１）の成果は、中国科学院大学カブリ理論科学研究所との国際共同研究の成果であり、本センターを介した密接な研究交流によるものであり、当初の目的を達成している。

■公刊論文数（件数と主たる公刊誌名）、学会発表件数（国内・国際）、イベントなど社会貢献の実績（年月日、場所）

（１）公刊論文数：１０報
Physical Review Letters (IF=8.385 @2019), Physical Review Applied(IF=4.57 @2018)　など

（２）学会発表件数：（国内）１７件、（国際）７件

（３）イベントなど社会貢献の実績：12件

• Spin-RNJ若手オンライン研究発表会（2020年6月3日～4日、267名参加）の開催（東大・東北大・阪大・慶大による共同開催）
• 電気学会Ａ部門マグネティクス研究会「ナノスケール構造磁性体，磁性材料，磁気応用一般」（2020年8月3日，オンライン）
• 第25回「半導体スピン工学の基礎と応用」(PASPS-25) 研究会（2020年11月17日～19日，オンライン）
• 電気学会Ａ部門マグネティクス研究会「高周波磁気工学、ナノスケール構造磁性体、スピントロニクス、マイクロ磁気、磁性材料・磁気応用一般」（2020年12月8日，オンライン）
• スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワーク拠点(Spin-RNJ) 2020年度年次報告会（2021年3月9日，オンライン）
• 日本物理学会第76回年次大会シンポジウム「スピントロニクスによる古典情報と量子情報科学技術の融合」（2021年3月12日，オンライン）
• 日本材料科学会マテリアルズ・インフォマティクス基礎研究会（2021年3月，オンライン）※リアルタイム講演＋オンデマンド公開
• Computational Materials Design (CMD) ワークショップ第３７回（2020年8月31日～ 9月4日, オンライン）第３８回（2021年2月22日～ 26日, オンライン）
• スピントロニクス入門セミナー第19回（2021年1月7日～8日，オンライン）　など

■センター活動を通じて特に成果を挙げた事柄

研究成果において、実用化に向けた展開が期待できるものとして、（１）表面弾性波におけるスピン流源の空間分布を調査した研究の副産物である「スピン波の巨大な非相反性の発現」と、（２）表面弾性波の格子回転の定量評価実験で発見した「音波を用いた磁気回転効果」が挙げられる。（１）では、Si/Al複合材料において、表面弾性波を用いたスピン波励起の非相反性がSiの膜厚により劇的に増強される現象を実験的に検証した。スピン波を用いた高速・省電力な情報通信・論理演算を実現するスピン波デバイスにおいて、動作の実現に不可欠なスピン波ダイオードの性能を飛躍的に向上できる研究成果である。また、逆方向のスピン波振幅をほとんどゼロにできるため、マイクロ波からスピン波への信号変換を磁石の磁気の向きによりオンオフ制御するスピン波スイッチとしても実装可能である。さらに、複合材料におけるスピン波の非相反性は、スピン波と結合する表面弾性波の非相反性も生み出す。表面弾性波を用いた従来型SAWフィルタ素子では、送受信アンテナ間における入射波と反射波の干渉がデバイス性能の低下や故障の原因となっていた。今回開発した複合材料により表面弾性波の非相反性を生み出すことで、逆方向に伝搬する入射波と反射波の干渉を低減できるため、スマートフォンなど高度な情報処理を行う無線通信端末で広く利用されているSAWフィルタ素子の性能向上が期待できるなど、通信産業界にも大きな波及効果がある。さらに、物質中を伝搬する音波を整流する弾性波ダイオードなど、全く新しいデバイス創生が見込まれる。
（２）は、回転運動の保存則に基づく普遍的な効果であり、磁石の性質とは無関係なので、すべての最先端磁気デバイスに応用することが可能である。ジュール熱を伴う電流に比べてエネルギー損失の少ない音波を用いたスピンデバイス動作に大きく道を拓くものであり、スピンデバイス（MRAMをはじめとするスピンメモリ、スピン波を用いた論理演算デバイスなど、省電力・高速動作を必要とする人工知能回路の基本構成部品）の大幅な省電力化の実現につながる。
本件は、2020/04/01付、および2020/05/28付でプレスリリース（JSTと慶大の共同リリース）された。

プレスリリース：

磁気回転効果を用いて磁性体から起電力を取り出す機構の発見－音波を用いたスピントロニクスデバイス応用へ－