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Nanoscale dynamics of magnetic and ferroelectric domains induced by acoustic waves

Research Project

Project/Area Number 21K14488
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 28020:Nanostructural physics-related
Research InstitutionInstitute of Physical and Chemical Research

Principal Investigator

Nakamura Asuka  国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 研究員 (90823584)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Keywords超高速時間分解電子顕微鏡 / 5次元走査型透過電子顕微鏡 / ナノ音響波 / 磁気音響結合 / 5次元走査型電子顕微鏡 / 磁気誘電ドメイン / 光音響波 / 磁気・誘電ドメイン
Outline of Research at the Start

近年、磁気、強誘電ドメインを生成、駆動することで動作する高速かつ低消費電力のデバイスが注目を集めている。金属ナノドットなどのナノ構造体へパルス光を照射することで生成される「ナノ音響波」は、ナノメートル領域の波長を持つため、微小ドメインを超高速で生成、駆動する外場として期待される。
本研究では、電荷、スピン、軌道、格子といった多自由度が強く結合したペロブスカイト型酸化物系に着目した。これらの系ではナノ音響波の圧力による巨大な磁気、誘電ドメインの応答が期待される。スピンや電荷などの多自由度への敏感性と、高い時空間分解能を兼ね備える超高速時間分解電子顕微鏡により、微小ドメインの超高速応答を可視化する。

Outline of Final Research Achievements

In this study, we developed a new methodology for ultrafast transmission electron microscopy that can detect acoustic waves and magnetic/ferroelectric domain structures in nanomaterials. We established five-dimensional scanning transmission electron microscopy, which reveals the amplitude and polarization of nanometric acoustic waves in thin silicon plates. By combining this method with Lorentz electron microscopy, which can visualize the magnetic structure, we further reveal characteristic coupling between the acoustic wave and vortex core.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、これまでの超高速時間分解電子顕微鏡の課題であった物理量の定量評価法である5次元走査型透過電子顕微鏡法を世界で初めて確立し、ピコ秒スケールでの歪み・磁場・電場の定量評価に成功した。これにより明らかになった音響波と還流磁区との結合は、従来の磁歪とは異なる磁気音響結合の可能性がある。物質中における歪み・磁場・電場といった複数自由度の同時観測は、今後様々な物質中の自由度間の結合を明らかにすることに利用できると期待される。

Report

(4 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (28 results)

All 2024 2023 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (8 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 8 results,  Open Access: 7 results) Presentation (17 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 4 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Int'l Joint Research] The Philipps Univ. of Marburg(ドイツ)

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    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 17 Issue: 4 Pages: 042007-042007

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ad3b61

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      Asuka Nakamura
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      Journal of Open Source Software

      Volume: 8 Issue: 92 Pages: 5869-5869

    • DOI

      10.21105/joss.05869

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      Shimojima T.、Nakamura A.、Ishizaka K.
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      Review of Scientific Instruments

      Volume: 94 Issue: 2 Pages: 023705-023705

    • DOI

      10.1063/5.0106517

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      Nakamura Asuka、Shimojima Takahiro、Ishizaka Kyoko
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      Nano Letters

      Volume: 23 Issue: 7 Pages: 2490-2495

    • DOI

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      Shimojima T、Nakamura A、Ishizaka K
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      Microscopy

      Volume: - Issue: 4 Pages: 287-298

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      10.1093/jmicro/dfad021

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      Nakamura A.、Shimojima T.、Ishizaka K.
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      Volume: 237 Pages: 27-39

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      A. Nakamura, T. Shimojima, and K. Ishizaka
    • Journal Title

      Structural Dynamics

      Volume: 8 Issue: 2 Pages: 024103-024103

    • DOI

      10.1063/4.0000059

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      T. Shimojima, A. Nakamura, X. Z. Yu, K. Karube, Y. Taguchi, Y. Tokura, K. Ishizaka
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      Science Advances

      Volume: - Issue: 25 Pages: 1322-1322

    • DOI

      10.1126/sciadv.abg1322

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      千足勇介, 中村飛鳥, 下志万貴博, 中村文彦, 前野悦輝, 石坂香子
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    • URL

      https://www.riken.jp/en/news_pubs/research_news/rr/20230801_1/

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  • [Patent(Industrial Property Rights)] 5次元電子顕微鏡及びその解析方法2021

    • Inventor(s)
      下志万貴博, 中村飛鳥, 石坂香子
    • Industrial Property Rights Holder
      下志万貴博, 中村飛鳥, 石坂香子
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2021
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URL: 

Published: 2021-04-28   Modified: 2025-01-30  

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