2012年5月23日
小野輝男 化学研究所教授、小林研介 同准教授（現大阪大学教授）、千葉大地 同助教（現同准教授）、田辺賢士 博士後期課程学生、大江純一郎 東邦大学講師、葛西伸哉 物質?材料研究機構主任研究員、河野浩 大阪大学准教授、S. E. Barnes マイアミ大学教授、前川禎通 日本原子力研究開発機構先端基礎研究センター長らの共同研究グループは、ミクロな強磁性円盤から発生するスピン起電力の実時間観測に成功しました。この成果は、英国科学誌Nature Communicationsに掲載されました。
概要
古典的な电磁気学では、磁场の时间的な変化が回路に起电力をもたらします。これは1831年にファラデーが発见した电磁诱导の法则であり、现代エレクトロニクスの根干をなす法则です。この起电力は磁场が电子の「电荷」に作用する古典的な力（ローレンツ力）を反映しています。一方、ミクロな世界を扱う量子力学を用いると、电子の磁気的な性质である「スピン」に作用する力の存在が示されます。この力はスピン起电力と呼ばれ、强磁性金属中のねじれた磁化构造が运动する时に発生することが知られています摆1,2闭。しかしスピン起电力は磁化の运动の付随する复雑な効果であるため、平均化したシグナルの検出报告しかありませんでした。我々の研究チームは磁気涡と呼ばれる特殊な磁化构造の运动を用いて、スピン起电力を局所的にかつリアルタイムで検出することに成功しました。
磁石の内部は通常、磁区と呼ばれる磁化の向きが互いに异なる领域に分割されています（図1）。磁区の内部では磁化の向きは同じですが、磁区と磁区の境界では磁化の向きが迁移して変化している领域があり、これは磁壁と呼ばれています。近年、このような磁化の向きがねじれた（同じ向きを向いていない）领域の研究に注目が集まっており、上述のスピン起电力もこのような领域で発生すると考えられています。しかしながら、スピン起电力が発生する领域は极めて小さく（数十ナノメートル）、复雑な磁化の运动に依存した方向に力が発生するため、空间?时间的に平均化したシグナルの検出报告しかありませんでした。我々の研究チームは、このスピン起电力を详细に観测するため、数マイクロメートル程度の磁気円盘に生じる磁気涡构造の运动に着目しました。磁気涡の中心には、コアと呼ばれる磁化の向きが円盘に垂直方向に立ち上がる领域が存在します。コア近傍では磁化构造が大きくねじれているため、コアを运动させることによって大きなスピン起电力が発生すると期待されます。この磁気涡构造の研究は京都大学のグループが长年行ってきた研究の一つであり、コアの検出摆3闭や电流によるコアの回転运动の励起摆4闭、コアの向きの反転摆5闭など多くの研究を报告しています。我々はこの経験を生かし、磁気涡构造の运动を正确に制御することによって、スピン起电力のリアルタイム测定を目指しました。
図1：磁区と磁壁と磁気涡の概念図。磁壁内部や磁気涡では磁化がねじれた构造をとっている。この领域の磁化が动くことでスピン起电力が発生する。磁気涡の中心で磁化が面直方法を向いているのがコアである。
磁気涡构造は、交流磁场によって共鸣的にコアを円运动させることができます（図2）。我々はこの磁気涡构造の共鸣运动によって生じるスピン起电力の実时间観测を行いました。図3（左）はコア近傍に现れる交流电圧を示しており、およそ1マイクロボルト程度の电圧が周期的に検出されていることが分かります。この周期はコアの円运动の周期と一致しており、これはコアの円运动に付随した起电力、すなわちスピン起电力であることを示しています。コンピュータシミュレーション摆6闭を用いた计算结果（図3（右））と比较しても、実験结果と计算结果はよく一致していることが分かります。このように、我々は磁気涡构造のコアの运动から発生するスピン起电力のリアルタイム测定に成功しました。
図2：（左）磁化の面直成分：赤い部分が面直方向に磁化が向いている领域を表しているため、ここがコアに相当する、（中）磁化の面内成分：面内磁化の向きが还流构造をとっており、磁気涡构造をとっていることが分かる、（右）コンピュータシミュレーションによって得られた、スピン起电力から発生する电圧の空间分布：コア付近にある赤い领域と青い领域が、それぞれ电圧の高い领域と低い领域に対応し、これらの间の电位差を测ることでスピン起电力を観测することができる。
図3：（左）実験的に検出されたスピン起电力シグナル（右）同一の条件でコンピュータシミュレーションにより得られたスピン起电力シグナル
今回の结果は、磁気コア付近のナノスケールの领域にアップスピン电子とダウンスピン电子に逆向きに力を与える电界が磁気コア运动によって生み出されたと理解することができます。ナノスピン电池の実现です。ファラデーがコイルに磁石を通して豆电球を光らせて见せたとき、近くにいたご妇人は「でもそれが一体何になるのですか？」と寻ねたといいます。ファラデーの返答は「あなたは赤ん坊が何かできるとお思いですかな？」。スピン电池はどのように育つのでしょうか？
参考文献
[1] S. E. Barnes, & S. Maekawa, Phys. Rev. Lett. 98, 246601 （2007）.
[2] A. Stern, Phys. Rev. Lett. 68, 1022 （1992）.
[3] T. Shinjo et al. Science 289, 930 （2000）.
[4] S. Kasai et al. Phys. Rev. Lett. 97, 107204 （2006）.
[5] K. Yamada et al, Nature Materials 6, 270 （2007）.
[6] J. Ohe & S. Maekawa, J. Appl. Phys. 105, 07C706 （2009）.
书誌情报
[DOI]
Tanabe K, Chiba D, Ohe J, Kasai S, Kohno H, Barnes SE, Maekawa S, Kobayashi K, Ono T.
Spin-motive force due to a gyrating magnetic vortex. Nature Communications 3, Article number: 845, 2012/05/22/online.
doi:10.1038/ncomms1824
今回の研究は、以下の事业の一环として行われました。
科学研究费补助金
基盘研究（厂）「新规スピンダイナミクスデバイスの研究」、特定领域研究「スピン流の创出と制御」
- 京都新聞（5月23日 23面）および日刊工業新聞（5月23日 21面）に掲載されました。