東北大ら,トリプロンのスピン流伝搬を実証

東北大学,東京大学,岩手大学,茨城大学は,トリプロンと呼ばれる準粒子がスピン流を伝搬することを実証した(ニュースリリース)。

量子スピン系の中にはスピン液体の他に,ダイマースピン系と呼ばれる物質群がある。ダイマースピン系では磁気的な相互作用の強弱が交代することによって,スピンが2個ずつ強く結合するダイマー状態(スピン対)と呼ばれる状態を形成する。

巨視的なスピンを持たないダイマースピン系においても,有限温度ではゆらぎとして,スピン1の素励起である準粒子「トリプロン」が絶えず発生している。トリプロンはダイマー間相互作用によって隣に移動することができることから,スピン流の担い手となりえると考えられるが,これまで確認されていなかった。

研究では,ダイマースピン系の物質の中で,CuGeO3に注目。CuGeO3の中ではスピンを担う銅(Cu)イオンが1次元の鎖状に並んでいる。高温では銅イオンが等間隔で,スピン液体の特性を示す。温度を下げると銅イオンが自発的に変位し,交換相互作用が交代するスピンダイマー相になる。ダイマー相においてはトリプロンが励起することが明らかになっていた。

実験では,CuGeO3の鎖方向と垂直な面に白金(Pt)を製膜し,鎖方向に熱の勾配を加えた。トリプロンは熱により生成され,熱の勾配に沿って運動し,スピン流として伝搬する。こうして生成されたスピン流を隣接するPt膜を通し,電圧として検出することに成功した。この電圧の符号はスピン流が運ぶスピンの向きに依存し,スピンの向きが逆になれば電圧の符号も逆になるという。

強磁性体中のマグノンは,一様に揃った磁化を減らすような素励起だが,最低エネルギーのトリプロンは磁化を増やす方向に励起することが明らかとなった。つまり,マグノンで生成されるスピン流とトリプロンで生成されるスピン流は逆のスピン方向を持つことが明らかとなった。

さらに,トリプロンのスピン流はCuGeO3に不純物を混入することや、熱勾配の印加方向を変えることで大きく抑制されることもわかった。また,理論計算でも,トリプロンとマグノンが互いに逆向きのスピンを運ぶこと,信号の外部磁場と環境温度の依存性も不純物の影響と結晶格子の振動から説明でき,トリプロンはスピン流の担い手になれると結論づけた。

この研究により,スピン流の担い手として新たな材料が候補に加わったとし,スピントロニクス研究がさらに促進されることが期待されるとしている。

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