Highlights

力学的物質・スピン制御研究グループの主な成果
Highlights of Research Group for Spin Manipulation and Material Design
by Combining Spintronics and High-Speed Rotation Technique齊藤Eiji Saitoh

英治

グループリーダー
Group Leader

概要
本研究グループでは、力学的角運動量と原子核の角運動量を新たな相互変換角運動量としてスピントロニクスに取り込むことを目指した研究を遂行してきた。これまでに、核磁気共鳴法（NMR）を用いた力学的回転運動と核スピンの相互作用の検出や流体運動からのスピン流生成を示唆する実験結果の取得に成功した。

1．研究の背景・経緯
スピントロニクスは次世代電子技術の有力候補であり、関連研究が盛んに行われている。スピントロニクスとは、電子の持つ電荷とスピンの自由度を利用して新しい機能性電子物性を創出するものである。スピントロニ
クスによる次世代電子技術の確立にはスピン流の効率的生成法と高精度制御法の開発が必要不可欠である。スピン流とは電子スピン角運動量の流れのことであるが、これまでのスピントロニクスでは、スピン流の生成・制御に、磁気的角運動量および電磁場の角運動量との相互変換が用いられてきた。
本研究グループでは、スピン流の生成・制御に、力学的角運動量と原子核の角運動量を用いること、つまり、これらを新たな相互変換角運動量としてスピントロニクスに取り込むことを目指した研究を計画した。
研究は、量子物性理論グループとの強力な連携体制のもとで遂行することとした。具体的には、まず、現象を支配する力学的回転運動とミクロな角運動量の相互作用の理論的枠組みを構築し、実験環境の構築が可能なものから実験に着手し、実験のブラシュアップを繰り返すスタイルで研究を遂行した。数年間の試行錯誤の結果、複数の実験において再現性の高い実験結果を成果としてまとめられる段階に到達した。

2．研究の内容
これまでに、主として NMR を用いた力学的回転運動と核スピンの相互作用の検出、流体運動からのスピン流生成を示唆する実験結果の取得に成功した。
まず、今期を代表する成果として、NMR を用いた力学的回転運動と核スピンの相互作用の検出について紹介する。
力学的角運動量と原子核の角運動量を新たな相互変換
角運動量としてスピントロニクスに取り込むことを目指

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Abstract
In our research group, a mechanical angularmomentum and nuclear angular momentum are focusedon as new angular momentum source interacting withspin currents. We have succeeded in detecting theinteraction between a mechanical rotation and nuclear
spins by using a spectroscopic method for the first timeand getting experimental data that suggest the generatinga spin current from a mechanical motion of a liquid.

1．BackgroundSpintronics is a subject of great current interest
that will be essential in next-generation electronics.
Spintronics exploits an electronic charge and spin
simultaneously so as to produce novel function andelectronic property devices. Efficient generation and ahigh precision controlling methods for spin currents areindispensable to realizing the spintronics devices. Spincurrent is a flow of an electronic angular momentum.
So far, angular-momentum transfer from a magnetic
angular momentum and an angular momentum of
an electromagnetic field to spin currents have been
established for generating and controlling spin currents.
In our research group, a mechanical angular momentum
and nuclear angular momentum are focused on as new
angular momentum source interacting with spin currents.
We have carried out study collaborating with Condensed
Matter Theory Group (Mori group). Specifically, forthe first we have built a theoretical framework foranalyzing the interaction between a mechanical rotation
and a microscopic angular momentum governs these
phenomena, after that we performed the experiment one
by one and again and again brushing up the experimental
configurations. After several years of research, finally, wehave reached the study phase that we can get reproducible
result for publication.

した研究を遂行するにあたり、我々は核スピンのバーネット効果の検出を試みた。バーネット効果とは、現象論的には回転によってバーネット磁場と呼ばれる有効磁場が発生し、これによって磁性体が磁化する現象である[1]。現在では、この回転による磁化の変化は電子スピン角運動量と回転の相互作用（スピン回転相互作用）を起源とすることが分かっており、この現象を用いたスピン流生成理論が提案されている [2]。
このバーネット磁場 B Ωは試料とともに回転する座標系への回転座標変換から理論的に求められる。B Ωは回転の角速度Ωに線形依存している。

B Ω =(2m /qg ) Ω
ここで、m とq とg はそれぞれ、粒子の質量、電荷、g因子である。
NMR でバーネット磁場を測定するには、試料と同じ回転座標での計測を実現せねばならない。その理由は、もし試料と検出器に相対速度があると、相対速度によるNMR シフト ( 回転ドップラー効果 ) が生じてバーネット
磁場による NMR シフトを打ち消してしまうためである。
我々は新たな NMR 手法を開発してこれを克服し、バー

2．Contents of the study
We have succeeded in detecting the interaction
between a mechanical rotation and nuclear spins byusing a spectroscopic method for the first time andgetting experimental data that suggest the generating aspin current from a mechanical motion of a liquid.
We would like to introduce main two results. The firstis the detection of the interaction between a mechanicalrotation and nuclear spins by using a spectroscopic
method.  In this study, we have tried to observe Barnett
effect in solids by nuclear magnetic resonance. The
Barnett effect is known as the magnetization of magnetic
body by rotation, it implies that an effective magnetic
field arises in a rotating body [1]. The change ofmagnetization by rotation originates in the interaction
between electron spin angular momentum and rotation
so that called spin-rotation coupling, and the Barnett
effect has lately attracted attention again as a theoryof spin current generation using Barnett effect had
proposed [2]. The emergent field B Ω, called Barnett field,
can be derived theoretically from rotational coordinatetransformation into the body-fixed frame. B Ω acting on
a particle is linearly depends on the angular velocity ofrotation Ω:B Ω =(2m /qg )Ω

図 1 実験アセンブリの模式図
Fig.1 An illustration of the experimental assembly

where m , q , and g are mass, charge and g-factor of theparticle.
To measure the Barnett field by nuclear magnetic
resonance (NMR) method, the detection has to be doneon the rotating frame same as the body. The reason forthis is that, if there are relative velocity between thesignal detector and the body (signal emitter), an extrinsic
NMR frequency shift arises from the relative velocity(rotational Doppler effect). To overcome the difficulty,
we developed a new detection method in NMR, anddirectly measured the Barnett field [3]. The detection on
the rotating frame was realized by the newly developed
tuning circuit that consists of a sample and detection coilboth installed in the same rotor.
Figure 1 shows the schematic illustration of theexperimental assembly. The assembly comprises twocomponents: the stationary coil placed along external
field B 0 and connected to an NMR spectrometer, and ahigh-speed rotor consisting of a cylindrical capsule inwhich a specially arranged tuning circuit is installed.
This circuit is composed of two small coils placed
perpendicularly and connected in series, and a smallcapacitor. One of the two coils is arranged parallel to基礎科学ノート

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ネット磁場の直接測定に成功した [3]。回転座標系での測定は同じ回転子の中に組み込んだ試料と新たに開発した検出コイルからなる同調回路で実現できた。
図 1 は実験アセンブリの模式図である。このアセンブ
リは大別して２つの構成要素からなっている。一つはNMR スペクトロメーターに繋がれて外部磁場B 0 に沿って配置されている静置コイル (stationary coil)、もう片方は特異な配置を持つ同調回路が組み込まれた円筒状の高速回転子 (rotor) である。この回路には小さなコンデンサ (capacitor) に直列接続され、かつ互いが直行する２つの小コイルが組み込まれている。片方の結合コイ
ル (coupling coil) は静置コイル内に平行に配置されるようになっており、非接触ながら同調回路と静置コイル間の相互インダクタンスによる電気的な結合が成立している。もう片方の試料コイル (sample coil) は内部に試料を内包している。結合コイル内の RF 場は試料コイルに転送され、NMR 信号を誘導する周期的な RF 場が試料コイル内に生じる。この仕様とすることで、試料コイルは試料と全く同じ回転速度で回すことができる。回転子は静置コイル内部に配置したまま、測定しながら｜Ω /2 π｜ =10kHz までの高速回転が可能である。
図 2-A は、InP を対象とした測定実験で得られた 115In

the stationary coil to establish a coupling by a mutual
inductance between the tuning circuit and the stationarycoil (coupling coil). The other, the sample coil, holds
a sample inside. The RF field in the coupling coilis transmitted to the sample coil and generates anoscillating RF field to induce an NMR signal. Under thisconfiguration, the sample coil rotates at exactly the sameangular velocity as the sample. The rotor is put inside thestationary coil and, during measurements, it is rotated up
to |Ω/2π|=10 kHz.
In Fig. 2, we plot the 115In NMR spectra at various
values of the angular velocity Ω. Clearly, the NMR
frequency increases linearly with Ω. Furthermore, byreversing the rotation direction, the direction of theNMR shift is also reversed; thus, the sign of B Ω isreversed. The sign of the g-factor of 115In is known to bepositive; that is, the nuclear magnetic moment is parallel
to its angular momentum. For the next, we measured theshifts for nuclei with negative g-factors. From the NMR
spectra for 29Si having negative g-factor, the directionof the NMR shift is clearly opposite to that for 115In,
indicating that the emergent Barnett field is opposite

図 2 正と負の g 因子におけるNMRスペクトルの回転速度依存性
A) 115 In の場合、B) 29 Si の場合

Fig.2 NMR spectra for positive and negative g-factors
Spectra for (A) 115 In and (B) 29Si NMR obtained at various angular velocities.

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の NMR スペクトルを角速度Ωでプロットしたものである。NMR 周波数はΩに対して線形的に比例して増加している。また、回転方向を逆転すると NMR シフトが逆方向、すなわち、BΩ の向きが反転している。この 115Inの g 因子は正、すなわち、核磁気モーメントは角運動量に平行であることが知られている。
加えて、我々は、負の g 因子を持つ核種で測定を行なった。図 2-B は、29Si を対象とした測定実験で得られた 29Si の NMR スペクトルを角速度Ωでプロットしたものである。負の g 因子を持つ 29Si では回転方向に対するNMR シフトが 115In の場合と逆転している。これは、バーネット磁場の発生方向が 115In と真逆であること意味している。図 3 は、様々な核種の回転速度に対する NMRシフトを示したものである。すべてのサンプルの NMRシフトがΩと比例関係にある。7Li, 19F, 23Na と先に紹介した 115In の g 因子は正、119Sn と先に紹介した 29Si の g因子は負であるが、正の g 因子の試料の NMR シフトはΩに対してすべて正の傾き、負の g 因子の試料はすべて負の傾きを持っている。
これらの結果は、原子核が外部磁場 B 0 以外の付加的な磁場を感じていることを意味しており、これがバーネット磁場の存在の直接的な証拠である。
以上のとおり、
我々は NMR を用いて原子核のバーネット磁場の直接測定に成功した。この結果は、力学的回転運動で核スピンを制御できることを意味する。
続いて、流体運動からのスピン流生成実験について簡単に紹介する。この実験は理論グループとの共同研究に於けるスピン流生成の理論予測に基づいて行なったものである。流体において、ストークス流れで生じるよう

in direction to that for 115In.  In Fig. 3, we collected theNMR shifts for various nuclei as a function of rotationspeed.  In each sample, the NMR shift exhibits linear
dependence on Ω.  The g-factor for 7Li, 19F, 23Na, and115
In are known to be positive, while those for 29Si and119
Sn are negative.  All the nuclei with positive g-factor
display positive slopes, while all the nuclei with negative
g-factors display a negative slope. These results meanthat the nuclei feel additional magnetic field to theexternal field. It is a direct evidence for the existenceof Barnett field.  Thus, we have proved the interaction
between a mechanical rotation and nuclear spins byNMR. This result shows the possibility of applying theinteraction into spintronics as new angular momentum
source interacting with spin currents.
We also carried out a spin injection experimentusing a fluid motion, which is an experiment basedon a theoretical prediction that is a collaboration with
Condensed Matter Theory Group (Mori group).  We
have predicted that spin currents are injected from amechanical motion of a fluid into a film attached to
the fluid if it has vorticity gradient, e.g. it is yielded in
Stokes flows. We have developed a method in whichlarge vorticity can be yielded in a fluid using a gas
actuator on a Pt thin film that is put on a substrate. By
using this method, we have observed spin current signals
in the thin film by using the inverse spin-Hall effect(ISHE). Figure 3 shows the alteration of voltage in the

な渦度勾配が生じるならば、その力学運動から生じたスピン流が流体に接する薄膜へと流れると我々は予測した。大きな渦度勾配が生じることが期待できる実験系として、エアブラシで流体をプラチナ薄膜に吹き付ける方法を検討し、逆スピンホール効果を測定することで、スピン流発生の信号の検出を試みた。図 3 は液体金属を用いた実験での逆スピンホール効果の検出電圧の変化を示したものである。プラチナ膜に流体を吹き付け始めると同時に電圧が生じ、流体を流す向きでその発生方向が変わっている。流体を流す向きと電圧の発生方向の相関は理論予測に一致している。様々な条件での再現実験を行ない、熱、圧力、摩擦等による起電力ではないことを確認したうえで、再設計した定量評価が可能な実験系で得た結果について、本原稿執筆現在、論文投稿中である。

3．成果の意義と波及効果
NMR を用いた力学的回転運動と核スピンの相互作用の検出に世界で初めて成功し、力学的角運動量と原子核の角運動量を新たな相互変換角運動量としてスピントロニクスに取り込める可能性を示した。また、流体の渦運動とそこで生じる局所的なバーネット効果に着目したスピン流生成理論を支持する実験結果を得た。上記のように、スピン流駆動モーターや、スピン流生成機の実現を

図 3 回転数に対するNMRシフトの普遍的な振る舞い

縦軸の NMR シフトはΩ =0 における中心周波数を基準としている。
Fig.3 Universal behavior of NMR shifts as a functionof the angular velocity ΩVertical axis represents NMR shifts; its origin is determinedby the center frequency at Ω =0.

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視野に入れた“スピンメカトロニクス”の第一歩を踏み出し、スピンメカトロニクス研究の波及をもたらす研究開発の指標を示した意義は大きい。上記の基本原理に基づき、例えばスピン流生成機やスピン流モーターとしてスピンメカトロニクスは実現されるであろう。

4．今後の予定NMR を用いた力学的回転運動と核スピンの相互作用の検出では、力学回転との相互作用ならではの核スピン情報を取り出せる可能性があるため、核物理の専門家と連携してその可能性を追求したい。また、開発した測定手法の変更で、ベリー位相や回転ドップラー効果のようなスピンの回転運動に伴う物理現象も観測可能であることが分かってきたためこれにも取り組む。
流体運動を制御したスピン流生成実験では、MEMS技術を駆使して、現象論以上へと現象の理解を深めて行く計画である。また、スピン流を注入して物体を駆動させるといった逆効果の観測実験を計画している。

fluid spin injection experiment using a liquid metal. The
voltage appears when a liquid metal flows on the Pt thinfilm pattern on a substrate and the polarity of the voltagechanges with the direction of the flows.  The correlation
between the flow direction and the polarity is consistent
with the above prediction and ISHE. The experimental
results using experimental setup for qualitative
measurement is under peer review now.

3．Importance of the result and its impact
We have proved the interaction between a mechanicalrotation and nuclear spins by NMR. This result shows
the possibility of applying the interaction into spintronics
as new angular momentum source interacting with spincurrents.
We have got experimental data that support atheoretical prediction for spin injection using a fluid
motion. Thus, we have tried to took a first step to realizea new concept ‘‘spinmechatronics’’, and we haveshown the preliminary result that give an indicationof research and development. Our approach is verysignificant in point of view to progress the base scienceand technology. Spinmechatronics will be realized, forinstance, a spin-current dynamo or a spin-current motor
based on the above principle.

4. Perspectives
There is a possibility that we can get information in
nuclear spin by the developed experimental setup for
observation of the interaction between a mechanicalrotation and nuclear spins by NMR. We will do theexperiment to observe it by collaborative study withnuclear physicists.  We will do the experiment tomeasure Berry phase or rotational Doppler effect byusing developed experimental setup because it canbe used for the experiment with small change of thespecification.
For a spin injection experiment, we will apply MEMS
for a spin injection experiment using a fluid motion toexplore the mechanism.  We also design the experiment
to measure the inverse effect.
図3変化

液体金属吹き付けによるスピン注入試行実験で得られた電圧

Fig.3 Alteration of voltage in the fluid spin injectionexperiment using a liquid metal

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参考文献

References[1] S. J. Barnett, Phys. Rev. 6, 239 (1915).

[2] M. Matsuo, et al ., Phys. Rev. Lett. 106 (2011), 076601.

[3] H. Chudo et al ., Appl. Phys. Eepress 7, 063004 (2014).