東北大など、スピン流生成に伴う発熱量を決定する理論的手法を発見

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金属と磁性体の二層膜試料におけるスピン流生成。 熱流を流すスピンゼーベック効果(a) とマイクロ波を照射するスピンポンピング (b)

東北大学は2018年1月16日、日本原子力研究開発機構、東京大学と共同で、電子のスピン流生成に伴って発生する試料の熱量を、スピン流雑音測定から決定する手法を発見したと発表した。

磁気の流れであるスピン流は、電荷の流れである電流と比較して、ジュール熱によるエネルギー散逸が抑制される。このため、スピン流による省電力電子技術の研究開発が盛んに行われている。同技術に必要となるのがスピン流制御に伴う、熱発生の仕組みの解明と、正確な測定だ。

これまで様々なスピン流生成法が確立されているが、今回共同研究チームが着目したのは、金属と磁性体を貼り合わせた二層膜試料に熱流を流してスピン流を作る「スピンゼーベック効果」と、同様の試料にマイクロ波を照射することでスピン流を作る「スピンポンピング」だ。

スピンポンピングを使ったスピン流生成を行うと、マイクロ波照射により試料が発熱する。すると、試料には熱流が流れるため、スピンゼーベック効果によりスピン流が生成される。この結果、観測されるスピン流信号には、マイクロ波照射に由来するスピン流信号と発熱に由来するスピン流信号が混ざる。このため、マイクロ波照射によって得られるスピン信号が、純粋にスピンポンピングによるものなのかを決定することは困難とされてきた。

今回の研究では、金属と磁性体を貼り合わせた二層膜試料の界面を通過するスピン流の時系列データに含まれるスピン流雑音の理論式を導出。この理論式で明らかになったスピン流雑音の温度依存性から、試料へのマイクロ波照射による試料の発熱量を決定できることを理論的に示した。

スピン流雑音(S)の温度(T)依存性。 SSEがスピンゼーベック効果由来、SPがスピンポンピング由来のスピン流雑音を指す。

また、一般に試料界面をスピン流が通過する際、スピン流の一部が乱され、スピン流量が減衰することが知られているが、従来のスピン流信号のみの測定からは、界面でどの程度減衰するかを決定するのは困難とされていた。今回の理論式を使うことで、スピン流雑音とスピン流の比から、界面の情報を引き出す理論手法も発見した。さらに、スピン流雑音測定から、試料中のスピン流星成功率を決定する手法も提案している。

この研究成果により、従来困難だったマイクロ照射実験における発熱量の決定と、スピンポンピングとスピンゼーベック効果という2つのスピン流生成メカニズムの峻別が、それぞれ可能となった。また、スピン流雑音測定が、試料界面のスピン流に対する影響を調べる新手法となることが示されたという。

これにより、スピン流の生成メカニズムを精密に調べられるようになり、スピン流の高効率制御技術と省電力電子技術の発展が期待されるという。

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