Study on multi-scale angular momentum conversion and generation of mechanical rotation from electron spin

电子自旋多尺度角动量转换及机械旋转产生研究

基本信息

批准号：
21H04565
负责人：
能崎幸雄
金额：
$ 27.79万
依托单位：
Keio University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-05 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究の目的は、薄膜試料の磁気から音波（SAW）を生み出す逆変換を実証し、デバイス化に不可欠な磁気と音波の双方向変換を実現することである。本年度は、伝導電子スピンと局在電子スピンを介した磁気回転効果の効率の差異を調べるため、絶縁性の強磁性体（フェリ磁性体イットリウム鉄ガーネット（YIG））へのSAW注入実験に着手した。バルクと同等の磁化特性を薄膜YIGで実現するためには、結晶性の向上が不可欠である。一方、レイリー型SAWを優先励起できる圧電体単結晶基板（LN基板）は、原子配置の対称性が低いためエピタキシャル成長を実現することが難しく、実現例がほとんど報告されていない。今回、成膜後の熱処理条件（基板温度、雰囲気）により、YIGをLN基板上にエピタキシャル成長させることに成功した。また、空洞共振器を用いた強磁性共鳴スペクトルの観測にも成功し、良好なダンピング特性を確認した。現在、単結晶YIG薄膜へのSAW注入による磁気回転効果の評価を行っている。次に、非磁性体金属の伝導電子スピンに作用する磁気回転効果において、その素過程にスピン軌道相互作用が関与しているかどうかを明らかにするため、スピンホール効果の極性が異なる2種類の非磁性金属（PtとMn）と強磁性薄膜（Ni-Fe合金）を組み合わせた3層構造を作製し、音波の振幅変化と位相シフト量を測定した。その結果、いずれの構造においてもSAW由来のスピン波共鳴の励起を観測し、その強度を比較した。その結果、Ni-Fe合金にPt、またはMnを貼り付けた2層膜に比べ、Ni-Fe合金の上下にPtとMnを貼り付けた3層膜のスピン波強度が大きく、PtとMnからのスピントランスファートルクが相乗効果として作用することが分かった。一方、上下にPtを貼り付けた3層膜において、当初予想しなかった極めて非相反性の高いスピン波共鳴が励起された。

这项研究的目的是证明从薄膜样品的磁性产生声波（锯）的反向转换，并实现磁性和声波的双向转化，这对于设备转换至关重要。今年，我们开始了一项实验，将锯子注入绝缘的铁磁材料（铁磁性Yttrium铁石榴石（YIG）），以研究通过导电电子自旋和局部电子自旋的磁旋转效应效率的差异。为了实现与薄膜YIG相当于大量的磁化特性，必须提高结晶度。另一方面，由于原子布置的低对称性，很难获得优先激发雷利锯的压电单晶体底物（LN底物）很难实现外延生长，而且很少有例子报道。这次，由于膜形成后的热处理条件（底物温度，大气），YIG在LN底物上成功上一生生长。此外，我们还成功地观察了使用空腔谐振器的铁磁共振光谱，并证实了良好的阻尼特性。目前，我们正在评估将锯注射到单晶YIG薄膜中的磁旋转效果。 Next, in order to clarify whether spin-orbit interactions are involved in the magnetic rotation effect that acts on the conduction electron spin of nonmagnetic metals, a three-layer structure was fabricated, combining two types of nonmagnetic metals (Pt and Mn) with different polarities of the spin Hall effect and a ferromagnetic thin film (Ni-Fe alloy), and measuring the amplitude change and phase shift amount of the sound wave.结果，观察到两种结构的自旋波共振的激发，并比较了自旋波共振的强度。结果，发现具有PT和MN连接到Ni-Fe合金的三层膜的自旋波强度具有较大的自旋波强度，并且PT和MN的自旋传递扭矩起着协同作用。另一方面，带有PT的三层胶片附着在极其非重新性自旋波共振的顶部和底部激发上，这最初是出乎意料的。