２０２２年１２月３日
仁科記念講演会「スピン流の理と使い途」

スピン流と角運動量の物理東京大学 工学系研究科 物理工学専攻

齊藤 英治

12

目次
1. はじめに1.1. スピントロニクスと社会
1.2. 「角運動量をもつ素励起」の魅力
2. スピン流とは？
3. スピン流の電磁現象を開拓する ！
4. スピン流 ： 新しい物質観へ
5. 面白い現象を幾つかご紹介
5.1. スピンで発電 ？
5.2. 核とスピン流
5.3. スピン流とナノ機械
21

電子のスピンとは？
スピンとは、電子の持つ自転のような性質アップ（上向き）スピンダウン（下向き）スピン

電子回転軸の向き（矢印）で回転方向を表わす。

3

磁石の起源はスピン
磁石中は電子のスピンが揃った状態
Ｓ極

Ｓ極

Ｓ極

Ｓ極

Ｎ極

Ｎ極

Ｎ極

Ｎ極

Ｓ極

Ｓ極

Ｓ極

Ｓ極

Ｎ極

Ｎ極

Ｎ極

Ｎ極

Ｓ極

Ｓ極

Ｓ極

Ｓ極

Ｎ極

Ｎ極

Ｎ極

Ｎ極

42

5エレクトロニクス・スピントロニクス

エレクトロニクス

スピントロニクス

56

目次
1. はじめに1.1. スピントロニクスと社会
1.2. 「角運動量をもつ素励起」の魅力
2. スピン流とは？
3. スピン流の電磁現象を開拓する ！
4. スピン流 ： 新しい物質観へ
5. 面白い現象を幾つかご紹介
5.1. スピンで発電 ？
5.2. 核とスピン流
5.3. スピン流とナノ機械
63

7

物質の中のさまざまな素励起
ボーズ粒子

フェルミ粒子電子
低エネルギー
有効物理

自由電子

フォノン

フォトン

核×1024ナノスケール構造で固体中の励起を制御

電子フェルミ縮退からの励起

s=

s =1

格子振動

スピン波

スピノン

核スピン波

(マグノン)

量子スピン液体からの励起s=

磁気秩序からの励起

s =1s =178

自由電子 と スピン軌道相互作用
真空中

物質中

E

←電子
静止質量ギャップ
P

バンドギャップ

𝑚𝑐 × 2←陽電子~𝑯𝑷×𝑬ℋ = −𝜇 σ・2𝑚𝑐

849

物質の中のさまざまな素励起
ボーズ粒子

フェルミ粒子電子
低エネルギー
有効物理

自由電子

フォノン

フォトン

核×1024ナノスケール構造で固体中の励起を制御

電子フェルミ縮退からの励起

s=s =1格子振動

スピン波

スピノン

核スピン波(マグノン)

量子スピン液体からの励起s=

磁気秩序からの励起

s =1s =1910スピン波（マグノン）
：高コヒーレンス

薄膜ナノ磁性体の静磁スピン波分散

Magnetostatic wave
Frequency ω

Dipole-dipole interaction

k
10100

1,000

10,000 100,000

Wavenumber k [rad/cm]

105

11

スピン波トモグラフィ法の開発
フェムト秒時間分解ファラデーイメージング

Nature com (2017)
111112スピン波トモグラフィ法
Out-of-plane field of 540 Oe

Surface mode ofmagnetostatic wave

Volume mode ofmagnetostatic wave

Nature com (2017)

1 1
2 2

126

13

目次
1. はじめに1.1. スピントロニクスと社会
1.2. 「角運動量をもつ素励起」の魅力
2. スピン流とは？
3. スピン流の電磁現象を開拓する ！
4. スピン流 ： 新しい物質観へ
5. 面白い現象を幾つかご紹介
5.1. スピンで発電 ？
5.2. 核とスピン流
5.3. スピン流とナノ機械
1314

物質の中のさまざまな素励起
ボーズ粒子

フェルミ粒子電子
低エネルギー
有効物理

自由電子

フォノン

フォトン

核×1024ナノスケール構造で固体中の励起を制御

電子フェルミ縮退からの励起

s=

s =1

格子振動

スピン波

スピノン

核スピン波(マグノン)

量子スピン液体からの励起s=

磁気秩序からの励起

s =1s =1147

すべての素励起の起源は電子、核、電磁場

電気

電子・核
電気電流
電気・電流の物理は？

物質スピン

スピン1516電流の基礎現象 （エレクトロニクスの基礎）「右ねじの法則」

ファラデーの電磁誘導（アンペールの法則）
磁場→電流電流→磁場

電磁気学の基礎法則
divD  divB  0rotE  B

磁場電流 jrotH  Dc
D   0E  P
B  0 H  M

電流の周りの砂鉄jc  jce   E

マイケル・ファラデー（1791-1867）168

スピン流 （電流のスピン版）

電気電流

電子・核
電気物質

スピン

スピン

スピン流？

電流のスピン版

17電流とスピン流
電流
jc ＋「量子状態の位相回転」と電荷保存則

電気電子

𝑈=𝑒
「空間的な回転」と角運動量保存則

d 
電荷保存則 dt q(r )  div jc

スピン流Sjs

スピン𝑈 =𝑒 𝝈𝜽d  Spinm(r )  div j s SStransfer dt

189物質の中のさまざまなスピン流（一部）
スピン流

対応する基底状態

自由電子

Free electron spin current

フェルミ縮退⇒jS  j  j

スピン波

核スピンSpin Wave spin current

磁気秩序状態(マグノン)

f-k fkNuclear wave spin current

核スピン秩序（forced orderされた）

スピノン

Spinon spin current

量子スピン液体spinon×2

fk
f-k

1920

自由電子の電流とスピン流：charge：spin

電流

＝….

JC ( = J↑+J↓)≠0(純)スピン流＝….

スピン角運動量の流れ

JS ( = J↑－J↓)≠0

電荷の流れを伴わないスピンの流れ
2009年95月

2010ナノ磁石で発見されたスピン注入磁化反転Grollier, Fert et al. (2001)（巨大磁気抵抗効果）
抵抗大
抵抗低電流

2009年95月

21MRAM

磁気抵抗ランダムアクセスメモリ

EVERSPINtechnologies
ホームページよりIBMウェブサイトより

ビットの操作：
読み込み：磁気抵抗効果
書き込み：磁場or電流誘起磁化反転

ビット情報を表現

2009年95月

2211電流とスピン流

電気「ナノテクノロジー」：
電子

電流１ミリの１０万分の１くらいの世界を扱う技術の出現！

電気物質
スピン

スピン

スピン流？

１ミリの千分の１くらいで消えてしまう。

23

24

目次
1. はじめに1.1. スピントロニクスと社会
1.2. 「角運動量をもつ素励起」の魅力
2. スピン流とは？
3. スピン流の電磁現象を開拓する ！
4. スピン流 ： 新しい物質観へ
5. 面白い現象を幾つかご紹介
5.1. スピンで発電 ？
5.2. 核とスピン流
5.3. スピン流とナノ機械
24

12

25

スピン流の基礎現象の発見
電気の世界

スピンの世界スピンポンピング

電磁誘導

磁化運動→スピン流

磁場→電流
右ねじの法則逆スピンホール効果

電場

磁場
電流→磁場

電流

スピン流

スピン流→電場2526

現象が持つべき対称性N

スピン流=S-Jm
NNdJm

lim d →0 with d・Jm=constant.

Jm-Jm

電場+電場

スピン流電場=P

等方性物質中では真空同じ対称性の電場

26

13

27

スピンホール効果と逆スピンホール効果
スピンホール効果
入力：電流
出力：スピン流

スピン軌道相互作用

逆スピンホール効果

バンドベリー位相
不純物効果
により、物質中で強くなる

入力１：スピン流
出力：電流

2728

スピンポンピング

MagnetMetal

Tserkovnyak et al. PRL(2002).
Mikukami et al. JJAP(2001).
Heinrich et al. PRL(1987).

2814

29

スピンポンピング
Precessing Magnetization

M=

MagnetMetal

σM
H`=J M・σInterface Spin Exchange
scatgteringH’=J0 1 0 i 1 0 , y  , z  1 0
i 0 
 0 1 x  29ωωω

OUT(scattered spin)

simple reflection

ω＋ ΩAcceleratedIN (injected)

ωω

ω-Ωω
simple reflection

Slowed down
Spin current physics/ E. Saitoh3015

磁性絶縁体から金属へのスピン輸送+--+

consistent with E00SHE

 js  σ

APL (2006) Nature (2010)
Inverse spin Hall effect induced by spin pumping

31

スピンポンプは万能スピン注入法
有機ポリマー(PEDOT:PSS)

K.Ando & E.Saitoh et al. Nature mat. (2013)201１/10

トポロジカル絶縁体 (BSTS)

Y.Shiomi & E.Saitoh et al. Nature mat. (2013)
323216

33

目次
1. はじめに1.1. スピントロニクスと社会
1.2. 「角運動量をもつ素励起」の魅力
2. スピン流とは？
3. スピン流の電磁現象を開拓する ！
4. スピン流 ： 新しい物質観へ
5. 面白い現象を幾つかご紹介
5.1. スピンで発電 ？
5.2. 核とスピン流
5.3. スピン流とナノ機械
33

ナノスケールスピン伝導物性測定

帯磁率σ～Imχ？

逆スピンホール電圧
thinner

Nature com (2014)

Spin current physics/ E. Saitoh

34

34

17

電気は流さないが、スピン流は流す物質はあるか？
電荷セクターエネルギー

スピンセクター
エネルギー

集団モード
（スピン波）

巨大なバンドギャップ

モットギャップ

個別励起（ストナ励起）

ほぼギャップレスNature (2010)
35

35

スピンホール効果を用いた金属から磁性絶縁体へのスピン輸送

絶縁体YIGはスピン流を流すことができる！
Pt(10nm) / Y3Fe5O12(1.2μm) / Pt(10nm)outputinput

Nature (2010)
363618スピン波による絶縁体中の電気信号伝送 （線形領域）
試料構造
Pt1

非局所測定の概念図

実験結果

Pt2
JcPtVVnl

起電力

電流

JsH

スピン波スピン流

YIG

SEM画像
YIG
Cornelissen, van Wees et al. Nature Phy. 11, 1022 (2015)
Oyanagi, B. van Wess, Saitoh et al. PRB(2017)3737

マグノンが化学ポテンシャルを持つ可能性

𝑓=Spin current physics/ E. Saitoh

1𝑒()/−1383819

マグノンが化学ポテンシャルを持つ可能性
フォノン ・ フォトン

マグノン（スピン波）

生成・消滅が自由ｚ-角運動量 ℏ

化学ポテンシャル μ＝０

角運動量保存→粒子数保存×
𝑓=1𝑒 /−1𝑓=1𝑒(𝝁)/−139

Spin current physics/ E. Saitoh

39

40

スピン流の基礎現象
電気の世界

スピンの世界スピンポンピング

電磁誘導

磁化運動
→スピン流

磁場→電流
右ねじの法則逆スピンホール効果

電場

磁場
電流→磁場

電流

スピン流→電場

スピン流

40

20

41

目次
1. はじめに1.1. スピントロニクスと社会
1.2. 「角運動量をもつ素励起」の魅力
2. スピン流とは？
3. スピン流の電磁現象を開拓する ！
4. スピン流 ： 新しい物質観へ
5. 面白い現象を幾つかご紹介
5.1. スピンで発電 ？
5.2. 核とスピン流
5.3. スピン流とナノ機械
41

磁性体の磁気ダイナミクスの性質

（非相反性）歳差運動するが、特定の方向しか回らない

内部磁場

スピンの歳差運動42

21

熱ゆらぎでも局所磁化は一方向しか回らない！
温度が低いとき温度が高いとき

熱ゆらぎ

磁化（スピン）の動きはランダムだが、平均としては右回りしかできない！
43

問題意識

熱ゆらぎによる
一方向歳差運動逆スピンホール効果

スピンポンプ

スピン流→電圧一方向磁化歳差→スピン流？

Spin current

仕事仕事が自発的に作られる？
そんなはずはない！

44

22

45

新しい発電原理へ到達
スピンの「ラチェット」を使って熱からスピン流・電気を作る方法
生成されるスピン流

金属

磁石

電圧

磁化ー 電子温度：
スピン温度：（電子の（スピンのゆらぎの大きさ）
ゆらぎの大きさ）

温度差

45

46

新しい発電原理へ到達

金属

磁石

電圧

磁化

温度差

46

23

47

スピンゼーベック効果

電圧計

YIG基板

試料サイズ：YIG基板: 6 mm x 2 mm x 1 mm
Pt薄膜: 6 mm x 0.5 mm x 15 nm

熱起電力

Pt薄膜

絶縁体に取り付けた金属膜に温度差に比例した電圧が生じる
温度差:Nature (2004)778 , Nature Mat (2006) 、 APL 97, 172505 (2010)

47

48

SSEの普遍性

Model system:
Pt/Y3Fe5O12 (YIG) junction
K. Uchida, H. Adahci, T. Kikkawa,
A. Kirihara, M. Ishida, S. Yorozu,
S. Maekawa, and E. Saitoh,“Thermoelectric generation based onspin Seebeck effects”
Proceedings of the IEEE (2016),
DOI:10.1109/JPROC.2016.2535167.

48

24

49

この原理で、いろいろなものから発電可能なはず
新しい発電の原理

化学反応から発電

金属
磁石

光から発電

生体の運動から発電
放射線から発電
ガンマ線
放射線測定
X線
中性子

電源、センサーソーラーセル、センサー

49

50

音→スピン流→発電
Generation of spin currents by sound-wave injection
PtYIG

Piezoelectricmechanical resonance frequency
Nature Materials (2011).

50

25

51

surface-plasmon-resonance conditionISHE voltage

Generation of spin currents
by surface plasmon resonanceLight transmittance

光→表面プラズモン→スピン流→発電

Nature Communications (2015).

Wave length of incident light5152

この原理で、いろいろなものから発電可能なはず

化学反応から発電

新しい発電の原理
金属
磁石

光から発電

生体の運動から発電

電源、センサー放射線から発電
ガンマ線
放射線測定
X線
中性子

ソーラーセル、
センサー

52

26

53

目次
1. はじめに1.1. スピントロニクスと社会
1.2. 「角運動量をもつ素励起」の魅力
2. スピン流とは？
3. スピン流の電磁現象を開拓する ！
4. スピン流 ： 新しい物質観へ
5. 面白い現象を幾つかご紹介
5.1. スピンで発電 ？
5.2. 核とスピン流
5.3. スピン流とナノ機械
53

様々なスピン流
自由電子

フェルミ縮退Free electron spin current
jS  j  j

スピン波(マグノン)

核スピンスピノン

磁気秩序状態

Spin Wave spin current

f-k fk核スピン（forced orderされた）量子スピン液体

Nuclear wave spin current

Spinon spin current
spinon×2fkf-k

Spin current physics/ E. Saitoh

5427

55

核スピンと電子スピン
Electronspin S

スピン波ゼーベック効果

vsNuclearspin I✓ Tiny gyromagnetic ratio γnand Zeeman coupling(γn /γe ~ 10-3).

孤立性の高い核スピンも、スピン流を担えるか？
Spin current physics/ E. Saitoh

55

核の集団励起モード
With hybridization due to transverse hyperfine(𝑆 𝐼 + 𝑆 𝐼 )Electron spin

ElectronicSpin waveHyperfine
interaction

Nuclearspin

Nuclear spink (a.u.)k (a.u.)Nuclear spin wave

Level Repulsion due to nuclear-electron spin Hybridization （Pulling effect）
Spin current physics/ E. Saitoh

56

28

核の集団励起モード
With hybridization due to transverse hyperfine(𝑆 𝐼 + 𝑆 𝐼 )Electron spin wave
(magnon)

Nuclear spin

Nuclear spin

Nuclear spink (a.u.)Level Repulsion due to nuclear-electron spin Hybridization （Pulling effect）
Spin current physics/ E. Saitoh

57

Microwave absorption spectra

MnCO3

S=5/2
Electron spin wave
Nuclearspin wave

TN・ 55Mn2+ I=5/2 nuclear spin (100% natural abundance)
・ Antiferromagnetic order + weak ferromagnetism (DM)・ Mn2+ : L=0 : small spin-wave gap
Spin current physics/ E. Saitoh

58

58

29

Microwave absorption spectracalc.

Electron spin wave

Nuclear spin wave

59

Spin current physics/ E. Saitoh

59

核スピンポンプピング in Pt/MnCO3
Observation of spin current induced by NMR
RF wave

Spin wave
band width

Nature phys 15, 22 (2019)
Spin current physics/ E. Saitoh

60

6030

核スピンゼーベック効果 （核スピンの熱電効果）
Ultralow T(100 mK)

Low T

1.9 K604mK

1.52 K

T-dep. (100 mK < T < 10 K):

3.0 K

5.0 K

10 K

30 K

50 K

B=2T

T (K)

V / Irms2(kV/A2)(1.9 K)High T

401
mK

V / Irms2 (kV A2)(1.52 K)

206
mK

V / Irms2(kV/A2)

Low T

104
mK

61

B=2T

(50 K)

B (T)

超低温度での熱電効果、熱制御へ応用できる可能性

Nature com (2021)
Spin current physics/ E. Saitoh

61

62

目次
1. はじめに1.1. スピントロニクスと社会
1.2. 「角運動量をもつ素励起」の魅力
2. スピン流とは？
3. スピン流の電磁現象を開拓する ！
4. スピン流 ： 新しい物質観へ
5. 面白い現象を幾つかご紹介
5.1. スピンで発電 ？
5.2. 核とスピン流
5.3. スピン流とナノ機械
6231

63

いろいろな回転からスピン流を作る
Magnetization Rotation→Spin current

Mechanical rotation→Spin current

MagnetMetal

Spin pumping & SSE
and application tospectroscopy for spin

Mechanicalspin current generation?

63

64

いろいろな回転からスピン流を作る
Magnetization Rotation→Spin current

Mechanical rotation→Spin current

H非平衡
MagnetMetal

Spin pumping & SSE
and application tospectroscopy for spin

∇H非平衡

Mechanicalspin current generation?

6432

65

一般座標変換のもとでの電子論
曲がった時空（回転系・加速系）：一般相対論的平坦な時空（慣性系）

回転 =
有効磁場

計量g n微分¶g n ( x )¶   G  éë g ( x ) ùûカルタン幾何学＋ディラック方程式

特殊相対論的ディラック方程式

é q  mc ùêg  ¶   i A  úy  0   ûë {g , g }  2g
n

nBeffé 
q  mc ùêg x  ¶   G  éë g x ùû  i A  úy  0  û
ë()(){g ( x ) , g ( x )}  2g ( x )nnsee 松尾、齊藤、前川 物理学会誌 ７２-９ (2017)65

66

Spin hydrodynamics (SHD) generation
act as “Spin source”
driven by local rotation (rot v)

Spinvoltage
逆スピンホール効果による起電力angularmomentum

Spin hydrodynamic generation (SHD)

Lattice

66

33

67

Spin hydrodynamic (SHD) generation
Fine Channel (Quartz Pipe)
PulsedPressureGround

Liquid Mercury(Hg)
Turbulent Flow

Nature Physics (2015)

67

Spin hydrodynamic (SHD) generation

Nature phys.
(2015)

68

34

69

スピントロニクス × ハドロン物理
Magnetization caused by rotation in Quark-Gluon plasma@Brookhaven accelerator

motivated byour spintroncis work

Nature63 548 (2017)
69

70

Magnetization Rotation→ Spin current

Mechanical rotation→ Spin current

Spin current is generated from various rotation
MagnetMetalSpin pumping

Mechanicalspin current generation

70

35

Co
nfidential

スピン流→弾性体トルク

Nature Com.10 2616 (2019)
71

71

72

Ampere’s law

1787
1820

 H  dl  I

1830

CCurrent

Coulomb

Faraday’s law

Magnetic field

1864
Maxwell equation(formulation forelectromagnetics)dB

 E  dl   S dt
C

Magnetic field

Current
2009年95月

72

72

36

73

物質中の角運動量の物理
AmpereAngular-momentumMR
transfer

1787
1820
1830
Coulomb
Faraday

Inverse spin-Hall effectST

Spin current

2004
2006

Charge current
2009年95月

73

73

74

謝辞：主な共同研究の皆様
安藤 和也（現：慶應大学）
内田 健一（現：NIMS）
吉川 貴史（現：東京大学）
塩見 雄毅（現：東京大学）
針井 一哉（現：QST）
Lustikova Jana(現：東北大学)
高橋 遼（現：お茶の水大学）（敬称略）

橋本 佑介(現：東北大学)
梶原 瑛祐(現：東芝研究所)
巻内 崇彦(東京大学）
廣部 大地（現：静岡大学）
Zｈiyong Qiu（現：大連大学）
桐原 明宏（NEC）
小野正雄 （JAEA）

前川 禎通（理化学研究所）
Gerrit Bauer(東北大学)
松尾 衛（現：中国科学院大学）
安立 裕人（岡山大学）
Jiang Xiao（復旦大学）
高橋 三郎(東北大学)
多々良 源（理研）
Yaroslav Tserkovnyak(UCLA)

74

37