マグノニック機能創発のための電圧効果と凝縮効果の研究

• Project/Area Number: 19H00861
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 29:Applied condensed matter physics and related fields
• Research Institution: Yokohama National University
• Principal Investigator: 関口 康爾 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (00525579)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 立崎 武弘 東海大学, 情報理工学部, 講師 (20632590)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥45,500,000 (Direct Cost: ¥35,000,000、Indirect Cost: ¥10,500,000); Fiscal Year 2023: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2022: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2021: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000); Fiscal Year 2020: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000); Fiscal Year 2019: ¥15,600,000 (Direct Cost: ¥12,000,000、Indirect Cost: ¥3,600,000)
• Keywords: マグノン / スピン波 / 量子凝縮 / 電圧効果 / 電圧降下 / 量子ビット / 論理演算 / マグノニクス

Outline of Research at the Start

本研究の根本の狙いは、磁性体に普遍的に存在するマグノンを、信号を運ぶ非電荷のキ
ャリアとして活用し、新しい省エネルギー・高効率な利用展開を創発することにある。磁
性体としてその材料の枠を超えて、酸化物磁性体、反強磁性体をもキャリア媒体として活
用するためのサイエンスの理解と応用展開を目指す。本申請では、電圧制御と温度変調と
いうキーワードに的を絞り[1]ナノ構造で顕在化する非電荷マグノンに対する電界効果とマグノン輸送制御の基盤を形成すること、[2]試料における非電荷マグノン強度を広い温度領域で観測できる世界初のブリルアン散乱分光装置を開発すること、に挑戦する。

Outline of Annual Research Achievements

マグノニック機能の有力候補である量子凝縮効果に関する研究を実施した。量子凝縮は室温・大気中で生じる巨視的量子現象であり、新しい量子コンピュータ・量子ビットに応用可能と期待されている。今年度は、マグノン励起法と凝縮体媒体となる材料を見直し、高品質な鉄単結晶における量子凝縮効果および凝縮体の寿命を詳細に研究した。ブリルアン散乱分光法の時間分解能によって鉄単結晶におけるマグノン密度の時間変化を詳細に検出することに成功した。
その結果、量子凝縮体が報告されていたガーネットに比べて、鉄単結晶薄膜では100分の１以下の試料膜厚を達成でき量子凝縮体を形成する入力マイクロ波パワーの低減が確認できた。また磁気減衰効果がガーネットに比べて100倍強い材質でも、数ナノ秒の寿命を維持していることが初めて明らかとなった。ガーネットに比べて飽和磁化が10倍大きいために、実験測定時の量子凝縮体の熱安定性が優れていることもわかった。
一方、大規模な光学測定系を必要とする凝縮体研究に関して、研究速度を加速する目的から電気的に検出する新しい取り組みを行い、マイクロ加工ストリップライン共振器とネットワークアナライザ・スペクトルアナライザの組み合わせにより、凝縮パラメトリックポンピングの検出に取り組んだ。ポンピング周波数に対するパラメトリック励起周波数の信号を検出することができ、電気計測の基盤技術を形成することができた。
また、ガーネットスパッタ膜の膜質向上に取り組み、試料の元素分析によって不純物混入による非結晶化と磁気損失の劣化などが確認できた。不純物混入をなくしたスパッタ成膜により結晶化した試料を作製することに成功した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

マグノニック機能を生み出す材料としては、特別な基板を必要とする特殊材料よりも、ありふれた元素で実現する方が重要である。従来、量子凝縮体を報告してきた材料はイットリウム鉄ガーネットと呼ばれる材料であり、超低磁気損失の長所があるが特殊ガドリニウム基板を必要とする問題点があった。本研究では、スピントロニクス技術と親和性が高い鉄単結晶を用いて量子凝縮体を研究している。磁気損失がイットリウム鉄ガーネットに比べて10倍以上大きな材料であるため、量子凝縮体の寿命が短いことがわかったが、熱安定性の良いことがわかり今後の展開に期待がもてる材料である。鉄単結晶における量子ビット研究は室温・大気中で動作する応用展開の可能性がある。
当年度はさらに、薄膜作製技術によってイットリウム鉄ガーネット構造を作製し、ガーネット薄膜の磁気損失の向上を図った。詳細な元素分析によりこれまでの薄膜プロセスにおける問題点を抽出することができ、結晶化の質が上がった試料を作製することに成功した。以上の理由により、マグノニック機能創発のための凝縮効果・電圧効果の開拓は、順調に進んでいると評価した。

Strategy for Future Research Activity

今後は、本年度で開拓した鉄単結晶におけるマグノン量子凝縮効果についての基礎研究を着実に進めていく。鉄単結晶のマグノン量子凝縮に関しては、微細加工を施した試料による形状閉じ込め効果を活用することでマグノン量子凝縮体の寿命が増大することが考えられている。微細加工試料における閉じ込め幅をパラメータとして、マイクロマグネティクスシミュレーションで寿命幅を予測する。実験的にはパラメトリック励起およびブリルアン散乱分光装置によってマグノン密度の時間変化を詳細に調べることで、量子ビットを形成できうる素子構造を考案・開拓していく。
本年度、新たに展開したマグノン量子凝縮の電気的検出法をさらに推し進めることで、単一素子で短時間での計測を目指す。電気計測は今後量子ビットを電気制御する上で最も重要な技術である。パラメトリック励起の検出から凝縮体の検出にまで技術を向上させることで、室温・大気中で利用可能な量子ビット開発を目指し、マグノニック機能創発を探る。

Research Products

• [Journal Article] High-density spin-wave soliton train (2022)
  • Author(s): Eguchi Takuro、Kawase Mikito、Sekiguchi Koji
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 15 Issue: 8 Pages: 083001-083001
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac7ead
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Spin-wave interconversion via thermoelectric point-contact control (2022)
  • Author(s): Eguchi Takuro、Nezu Shoki、Naemura Yu、Sekiguchi Koji
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 4 Issue: 3 Pages: 035320-035320
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.4.033135
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Propagating backward-volume spin waves in epitaxial Fe films (2022)
  • Author(s): Nezu S.、Scheike T.、Sukegawa H.、Sekiguchi K.
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 12 Issue: 3 Pages: 035320-035320
  • DOI: 10.1063/9.0000258
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] External Magnetic Field Dependence of Spin-wave Propagation in Ferromagnetic Thin Films with Multi-domain State (2021)
  • Author(s): 根津 昇輝、関口 康爾
  • Journal Title: Transaction of the Magnetics Society of Japan Special Issues Volume: 5 Issue: 1 Pages: 6-9
  • DOI: 10.20819/msjtmsj.21TR305
  • NAID: 130008033615
  • ISSN: 2432-0471
  • Year and Date: 2021-05-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Spin-wave switching using dynamic magnonic crystal (2021)
  • Author(s): Iwaba Masashi、Sekiguchi Koji
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 14 Issue: 7 Pages: 073002-073002
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac0677
  • NAID: 120007116146
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 磁壁おけるスピン波伝播の研究 (2021)
  • Author(s): 根津昇輝 , 関口康爾
  • Journal Title: 日本磁気学会誌 Volume: －
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Strong Absorption Effect for Propagating Backward Spin-Waves by Double Magnonic Crystal (2020)
  • Author(s): 岩場 雅司、藤原 早希、関口 康爾
  • Journal Title: Transaction of the Magnetics Society of Japan Special Issues Volume: 4 Issue: 1 Pages: 18-22
  • DOI: 10.20819/msjtmsj.20TR409
  • NAID: 130007839697
  • ISSN: 2432-0471
  • Year and Date: 2020-05-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Electric detection of nonlinear effect upon spin-wave spin current (2019)
  • Author(s): Kawase Mikito、Iwaba Masashi、Sekiguchi Koji
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 59 Issue: SE Pages: SEED01-SEED01
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab6508
  • NAID: 210000157876
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Numerical study on the enhancement of the magneto-optic Kerr effect using a dielectric thin film (2019)
  • Author(s): Tachizaki Takehiro、Mizuno Hiroyuki、Sekiguchi Koji
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 59 Issue: SE Pages: SEEA06-SEEA06
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab658c
  • NAID: 210000157904
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Three port logic gate using forward volume spin wave interference in a thin yttrium iron garnet film (2019)
  • Author(s): Goto Taichi、Yoshimoto Takuya、Iwamoto Bungo、Shimada Kei、Ross Caroline A.、Sekiguchi Koji、Granovsky Alexander B.、Nakamura Yuichi、Uchida Hironaga、Inoue Mitsuteru
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Issue: 1 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1038/s41598-019-52889-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 人工格子によるスピン波複数波源の生成と伝搬検出 (2023)
  • Author(s): 田中博規, 根津昇輝, 関口康爾
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 自己変調不安定性によるスピン波ソリトントレインの生成 (2022)
  • Author(s): 江口拓朗, 関口康爾
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 波数空間におけるマグノン凝縮体の生成過程 (2022)
  • Author(s): 根津昇輝, 小田鴻志, 関口康爾
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 立方異方性材料を用いたマグノン量子凝縮の生成過程の研究 (2022)
  • Author(s): 小田鴻志, Scheike Thomas, 介川裕章, 関口康爾
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 帰還構造におけるスピン波の空間分布 (2022)
  • Author(s): 岩場雅司, 林龍之介, 根津昇輝, 関口康爾
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Spin-wave waveguide with a loop ring structure (2022)
  • Author(s): M. Iwaba, M. Wada, S. Nezu, and K. Sekiguchi,
  • Organizer: ICMFS-2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observation of Bright Spin-wave Envelope Soliton Trains (2022)
  • Author(s): T. Eguchi, M. Kawase and K. Sekiguchi
  • Organizer: MORIS2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spin-wave rejection efficiency of dynamic magnonic crystal. (2022)
  • Author(s): M. Iwaba and K. Sekiguchi,
  • Organizer: 2022 Joint MMM-INTERMAG
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electrical Detection of Backward Spin-waves in Epitaxial Fe Films. (2022)
  • Author(s): S. Nezu, T. Scheike, H. Sukegawa and K. Sekiguchi
  • Organizer: 2022 Joint MMM-INTERMAG
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] YIG微細構造におけるスピン波の空間分布 (2022)
  • Author(s): 和田昌樹, 根津昇輝, 岩場雅司, 藤原早希, 関口康爾
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] スピン軌道トルクによるスピン波の生成と検出 (2022)
  • Author(s): 中野裕介, 和田昌樹, 根津昇輝, 岩場雅司, 関口康爾
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] マグノン量子凝縮体の生成過程の研究 (2022)
  • Author(s): 藤原早希, 岩場雅司, 小田鴻志, 関口康爾
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] ブリルアン散乱分光法によるマグノン密度の時間分解測定 (2022)
  • Author(s): 関口康爾
  • Organizer: 日本磁気学会235回研究会
  • Invited
• [Presentation] 低消費電力マグノニクス (2022)
  • Author(s): 関口康爾
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] 熱電素子を用いたスピン波伝搬制御 (2021)
  • Author(s): 江口拓朗, 関口康爾
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] スピン波伝搬におけるノイズ特性 (2021)
  • Author(s): 古川諒, 岩場雅司, 関口康爾
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 時間分解ブリルアン散乱分光法を用いた非線形スピン波励起の研究 (2021)
  • Author(s): 小田鴻志, 岩場雅司, 関口康爾
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] マグノニック機能とデバイス応用 (2021)
  • Author(s): 関口康爾
  • Organizer: 26th Physics and Applications of Spin-related Phenomena in Semiconductors
  • Invited
• [Presentation] 鉄単結晶を用いたスピン波干渉による物理リザバーの検討 (2020)
  • Author(s): 小屋祐真 , 関口康爾
  • Organizer: 第４４回日本磁気学会学術講演会
• [Presentation] 周期的な変調磁場によるスピン波の減衰 (2020)
  • Author(s): 岩場雅司 , 関口康爾
  • Organizer: 第４４回日本磁気学会学術講演会
• [Presentation] 磁壁おけるスピン波伝播の研究 (2020)
  • Author(s): 根津昇輝 , 関口康爾
  • Organizer: 第４４回日本磁気学会学術講演会
• [Presentation] スピン波伝送における磁化勾配効果の研究 (2020)
  • Author(s): 江口拓朗 , 苗村侑 , 関口康爾
  • Organizer: 第４４回日本磁気学会学術講演会
• [Presentation] 時間分解ブリルアン散乱分光法によるマグノン生成過程の検出 (2020)
  • Author(s): 小田鴻志 , 岩場雅司 , 関口康爾
  • Organizer: 第４４回日本磁気学会学術講演会
• [Presentation] マグノニックデバイスにおけるノイズ評価 (2020)
  • Author(s): 古川諒 , 岩場雅司 , 関口康爾
  • Organizer: 第４４回日本磁気学会学術講演会
• [Presentation] パラメトリックポンピングによるスピン波励起のＢＬＳ分光測定 (2020)
  • Author(s): 岩場 雅司、藤原 早希、関口 康爾
  • Organizer: 応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Shape-forming of Spin wave Packets by dynamic magnonic crystal (2019)
  • Author(s): M. Iwaba and K. Sekiguchi
  • Organizer: MORIS2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Time-domain detection of multiple spin-waves solitons generations (2019)
  • Author(s): M. Kawase, M. Iwaba and K. Sekiguchi
  • Organizer: MORIS2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 多重マグノニック結晶によるスピン波スイッチング (2019)
  • Author(s): 岩場 雅司 , 藤原 早希 , 関口 康爾
  • Organizer: 第４３回日本磁気学会(京都大学)
• [Presentation] 多重磁気ソリトン形成過程の時間領域測定 (2019)
  • Author(s): 川瀬 幹登 , 岩場 雅司 , 関口 康爾
  • Organizer: 第４３回日本磁気学会(京都大学)
• [Presentation] Magnon transistor for next generation computing (2019)
  • Author(s): K. Sekiguchi
  • Organizer: 第４３回日本磁気学会(京都大学)
  • Invited
• [Remarks] 横浜国立大学 理工学部/理工学府 関口研究室
  • URL: http://www.spin.ynu.ac.jp/index.html