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古典-量子情報科学技術の融合へ向けたスピンエキシトニクスの創生

Research Project

Project/Area Number 22K14591
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 29010:Applied physical properties-related
Research InstitutionTohoku University (2023)
Fukushima National College of Technology (2022)

Principal Investigator

千葉 貴裕  東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (90803297)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywordsスピントロニクス / トポロジカル絶縁体 / ポラリトン / マグノン / 超強結合 / トポロジカル物質 / エキシトン / 量子情報
Outline of Research at the Start

次世代情報処理技術として、電子スピンの向きを制御することで高速かつ低消費電力にて情報を処理できる「スピントランジスタ」の実現が待望されている。本研究では、トポロジカル絶縁体の二表面におけるエキシトンを情報担体としたスピントランジスタの創生、並びに、その基礎学理を構築する。このエキシトンは、スピンをもった中性量子として振舞うことから、光による効率的なスピン方向の制御と低散逸な信号処理が期待される。

Outline of Annual Research Achievements

エキシトンのスピントデバイスへの応用を目的として、三次元トポロジカル絶縁体(3DTI)ヘテロ接合における界面状態に関して研究を行った。3DTIは物質内部が絶縁体であるが表面は電子構造のトポロジーによって保護されており、高速かつ低散逸で電気を流すことができる。さらに注目すべき特性として、表面に電気を流すことでスピンが生じる「スピン運動量ロッキング」と呼ばれる性質がある。この性質により、3DTI表面ではスピンをもったエキシトンとして振舞うことが期待される。エキシトンのスピンを情報担体として利用するためには、その量子状態を自在に制御できる必要がある。マクロには中性粒子とみなせるエキシトンのスピンが光(電磁波)を用いてどのように操作できるか、その機構は非自明である。そこで、まずスピンエキシトンと類似するマグノンに関して数理モデルを構築し、光と結合した量子状態(ポラリトン)の時間発展をシミュレーション等に取り組んだ。
3DTI/磁性絶縁体のヘテロ接合における光子とマグノンのポラリトンを室温下で安定して実現するための理論を構築した。3DTIの強いスピン緩和に起因したスピンポンピング効果により、コヒーレント結合の他に同期的な散逸結合が生じることを見出した。一方で、ポラリトンの時間発展シミュレーションから超強結合に相当する巨大な結合強度を得た。これにより定量的には同系でのポラリトンの安定性への影響は十分小さいことがわかった。今後、共振器スピントロニクス技術への展開が期待される。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

スピンエキシトンと類似するマグノンに関して数理モデルを構築し、光と結合した量子状態(ポラリトン)の時間発展をシミュレーションできた点において一定の成果が得られたものと考えている。以上の点を踏まえて、本課題はおおむね当初の計画通りに進展しているとした。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究では、構築したマグノンのポラリトンの理論をレーザーなどの発振デバイスへ応用を試みたい。また、トポロジカル物質表面におけるエキシトンと光が結合したポラリトンの時間発展シミュレーションも検討する。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (9 results)

All 2024 2023

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 1 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Microwave Transmission Theory for On-Chip Ultrastrong-Coupled Magnon-Polariton in Dynamical Inductors2024

    • Author(s)
      Chiba T.、Komine T.、Aono T.
    • Journal Title

      Journal of the Magnetics Society of Japan

      Volume: 48 Issue: 2 Pages: 21-27

    • DOI

      10.3379/msjmag.2403R002

    • ISSN
      1882-2924, 1882-2932
    • Year and Date
      2024-03-01
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Ultrastrong-coupled magnon?polariton in a dynamical inductor based on magnetic-insulator/topological-insulator bilayers2024

    • Author(s)
      Chiba Takahiro、Komine Takashi、Aono Tomosuke
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 124 Issue: 1 Pages: 012402-012402

    • DOI

      10.1063/5.0173898

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Fully micromagnetic analysis of voltage-controlled magnetization switching in magnetic-topological-insulator-based devices2024

    • Author(s)
      Komine Takashi、Chiba Takahiro
    • Journal Title

      AIP Advances

      Volume: 14 Issue: 2 Pages: 025132-025132

    • DOI

      10.1063/9.0000798

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Numerical analysis of voltage-controlled magnetization switching operation in magnetic-topological-insulator-based devices2023

    • Author(s)
      Komine Takashi、Chiba Takahiro
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 123 Issue: 10 Pages: 102404-102404

    • DOI

      10.1063/5.0162297

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 動的インダクタにおける超強結合マグノン‐ポラリトン2024

    • Author(s)
      千葉貴裕, 小峰啓史, 青野友祐
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] トポロジカル絶縁体/磁性絶縁体二層膜における強結合磁気共鳴2023

    • Author(s)
      千葉貴裕, 小峰啓史, 青野友祐
    • Organizer
      第47回 日本磁気学会学術講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Voltage-control of magnetization dynamics by using topological insulators2023

    • Author(s)
      小峰啓史, 千葉貴裕
    • Organizer
      第47回 日本磁気学会学術講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] Microwave Transmission Theory for On-Chip Ultrastrong-Coupled Magnon-Polariton in Dynamical Inductors2023

    • Author(s)
      Takahiro Chiba, Takashi Komine, Tomosuke Aono
    • Organizer
      The 7th Symposium for the Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics and the 6th Symposium on International Joint Graduate Program in Materials Science and Spintronics
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Microwave Transmission Theory for Ultrastrong-Coupled Magnon-Polariton in Dynamical Inductors2023

    • Author(s)
      千葉貴裕, 小峰啓史, 青野友祐
    • Organizer
      テラヘルツ科学の最先端X
    • Related Report
      2023 Research-status Report

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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