中性子散乱を用いた絶縁体スピントロニクス基盤物質 Y3 Fe5 O12 の磁気励起の研究
Neutron scattering study on magnetic excitations of the ferrimagnetic Y3 Fe5 O12-a fundamental material for insulator spintronics東北大学大学院理学研究科物理学専攻 金属材料研究所 藤田研究室 B5SM2019 沖野友貴

1研究の背景と目的I

YIG の磁気励起の全容解明

γ は磁気回転比、Ms は飽和磁化、α はギルバートダンピ
ング緩和定数であり、第 1 項は、磁化の歳差運動を表し、磁気モーメントは磁場方向から見て反時計回りに回転す2008 年に報告されたスピンゼーベック効果 (SSE, Spin る。第 2 項は歳差運動の緩和を様子を表す。YIG の磁性
Seebeck Eﬀect) は強磁性体/常磁性金属薄膜接合系に温 は、24d サイトと 16a サイトの Fe3+ が担っている。両サ度勾配をつけることで、接合界面近傍にスピン流が誘 イトの磁気モーメントは反強磁性的に結合し、collinear起される現象である [1]。SSE の研究には金属、半導体、 な磁気構造を持つ。基底状態では d サイトと a サイトのさらには絶縁体などの様々な物質が利用されているが、 モーメントは同方向に回転する。しかし、ギャップのあ最も利用されている物質がフェリ磁性絶縁体 Y3 Fe5 O12る励起状態では、エネルギー固有値を解くことで、d サ(YIG, Yttrium Iron Garnet) である。YIG/Pt 薄膜接合 イトと a サイトのモーメントは基底状態とは逆方向に回系における SSE の温度依存性を測定した報告によると、 転することが知られている [5]。その結果、YIG 内には3SSE の信号強度は室温以上の温度領域では (Tc − T ) に反時計回りと時計回りに回転する磁気モーメント対が存従い、温度上昇に伴い減少することが示されている [2]。 在することになる。本研究では偏極中性子を用いた非弾この振る舞いは YIG の静的な磁気描像だけでは説明で性散乱実験を行うことで、音響モードと光学モードスピきず、SSE と磁化ダイナミクスとの関連性を示唆していン波のカイラリティの違いを実験的に明らかにすることる。YIG の磁気励起はスピン波描像で良く記述され、音も目指した。

響モードと光学モードの２つのモードが SSE に重要であることが実験、理論の両方から示唆されているが、定2

結果と考察量的には未解明な部分が多い。今後 SSE に対して定量的I

チョッパー型分光器を用いた中性子非弾性散乱実験な解釈を与えるためには、状態密度も含めた磁気励起の実験は、Traveling Solvent Floating Zone (TSFZ) 法

全体像解明とその詳細を明らかにする必要がある。しかで作成した YIG 単結晶を用いて、オークリッジ国立研究し、YIG の磁気励起を観測したものは、今から約 40 年

所の核破砕中性子源に設置されている BL-14B HYSPEC

前に三軸分光器によって行われた中性子非弾性散乱実験の報告に限られている [3]。三軸分光器は測定の性質上、励起スペクトルを (Q, ω) 点ごとに測定するものであり、磁気励起の全体像を明らかにするには膨大なビームタイムを必要とする。そこで、本研究では、チョッパー型分で行った。図 1 に観測した励起スペクトルを示す。図 1(a)を見ると広範囲の (Q, ω) 領域に渡って明瞭な磁気励起(a)T = 35 K(b)

T = 150 K(c)

T = 300 K(d)

T = 450 K

光器、三軸分光器を使用した中性子非弾性散乱実験を行い広範囲の (Q, ω) 空間を測定することで磁気励起の全体像を明らかにする事を第 1 の目的とする。

II

スピン波におけるカイラリティ

理論研究によると、YIG のスピン波の音響モードと光学モードはカイラリティが異なり、光学モードは SSE を抑制する働きがあると主張されている [4]。カイラリティとは簡単な描像では磁気モーメントの歳差運動の回転方向に対応している。一般に磁場 H 中における磁化 Mの運動は以下のランダウ-リフシッツ-ギルバート (LLG,Landau-Lifshitz-Gilbert) 方程式に従う。
dM
αdM= −γM × H +M×dt
Msdt

図 1: 観測した YIG の磁気励起スペクトル。

(1)1

スペクトルが観測できていることが分かる。観測した磁気励起スペクトルは主には音響モードと光学モードである。また図１ (b-d) からは、温度上昇に伴い Γ 点における光学モードのギャップエネルギーの値が小さくなっていき、ソフト化している様子が分かる。続いて、解析によって得られたスピン波分散関係の温度変化を図 2 に示す。この結果は三軸分光器による結果 [3] と整合してお図 4: Blume-Maleev coordination [6,7]り、音響モードは温度依存性をほとんど示さないのに対し、先に述べたように光学モードは温度上昇に伴いソフト化する。副格子の磁気モーメントサイズの変調を取り方の状態を測定した散乱断面積に対応する。中性子の偏入れたスピン波計算結果では、ソフト化を再現すること極方向 P を散乱ベクトル Q に平行にし、その方向を xに成功した (図 2(b))。また、冷中性子三軸分光器 SIKA軸 (P ∥ Q ∥ x) と定義すると (図 4)、σx±0 を測定し、{σx+0 − σx−0 ∝ −Mch(2)σx−0 − σx+0 ∝ +Mchを用いた実験では、[3] では報告されていない磁気励起の詳細を観測することに成功し、Γ 点から発達する磁気分散関係が線形に従わないことを明らかにした。という解析を行うことでカイラリティの符号の違いを示(b)(a)すことができる。図 3(a),(b) からは理論計算の結果 [4]と整合して、20 meV 以上の音響モードと光学モードではカイラリティが反転していることが分かる。また、興味深いことに音響モードの 5 meV から 15 meV 周辺でもカイラリティの反転が観測された。現時点ではこの発現機構については結論付けることはできないが、マグノンとフォノンとの交差や欠陥などが作る仮想磁場によって一つの音響モード内でのカイラリティの反転が引き起こされた可能性がある。今後より精密な実験を行ってい(H,H,0)

図 2: (a) スピン波の分散関係の温度変化。音響モードはほとんど温度変化を示さない。(b) 温度上昇に伴う光学モードギャップの温度依存性。

II

偏極中性子非弾性散乱実験

音響モードと光学モードのカイラリティを測定する事を目的とし、HYSPEC を用いて偏極中性子非弾性散乱実験を行った。実験は入射側のみ中性子を偏極し、散乱後の中性子の偏極方向については分析しない half-polarizedmode で行った。図 3 に観測した磁気励起スペクトルを示す。σx+0 は、入射中性子をアップスピン (+) 状態にして、検出器側はアップスピン (+) とダウンスピン (−) 両くことで、今回得られたカイラリティの知見をより決定的なものにしていく。

3結論
チョッパー型分光器 HYSPEC、冷中性子三軸分光器

SIKA を使用した非偏極中性子非弾性散乱実験を行い、YIG の磁気励起の全体像を明らかにした。実験の結果、SSE に寄与するのは音響モードと光学モードのスピン波であることを確認し、その光学モードの温度依存性の起源や磁気励起の形状を解明した。また、HYSPEC を用いて偏極中性子非弾性散乱実験を行い、音響モードと光学モードのカイラリティの違いを観測した。さらに単一の音響モード内でカイラリティが反転するという興味深い結果を得た。

(a)

(b)

参考文献

図 3: 350 K における (-4,-4,4) 周辺の偏極中性子非弾性散乱実験の結果。(a) は −Mch 、(b) は +Mch を表している。

[1] K. Uchida et al., Nature 445, 778 (2008).
[2] K. Uchida et al., Phys. Rev. X 4, 041023 (2014).
[3] J. S. Plant, J. Phys C: Solid State Phys. 10, 4805 (1977).
[4] J. Barker et al., Phys. Rev. Lett. 117, 217201 (2016).
[5] A. G. Gurevich et al., Magnetization Oscillation andWaves (CRC, Boca Raton, FL, 1996).
[6] M. Blume, Phys Rev. 130, 1670 (1963).
[7] S.V. Maleev et al., Sov. Phys. Solid. State 4, 2533
(1963).