2017 Fiscal Year Research-status Report
準周期構造を利用したトポロジカルスピン波デバイスの開発
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16K04881
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| Research Institution | Fukuoka University |
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Principal Investigator |
中山 和之 福岡大学, 理学部, 助教 (80602721)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
冨田 知志 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (90360594)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | メタマテリアル / スピン波 / 準周期 / トポロジー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年, スピン流を利用した情報処理機能デバイスの開発や情報伝送技術の開発が活発である。特に集団的な磁気モーメントの励起波であるマグノンを利用したスピン波スピン流は, 電子の流れを伴わず発熱を抑えることができるため、超省電力技術の基盤研究として注目を集めている。我々はデバイスの作製精度や外乱に対してロバストに動作するスピン波デバイスの研究開発をすすめている。スピン波を情報伝達デバイスとして用いる場合、長距離伝播を実現するため一般に損失の少ない強磁性膜が有用である。そのためにはイットリウム鉄ガーネット (YttriumIron Garnet: YIG) のような強磁性絶縁体は長年研究されてきた。しかしながら YIG 薄膜の作製に必要な GGG 結晶基板は高価なため、デバイス開発の観点からコストが課題となってしまう。またシリコンプロセスとの整合性を考えると、金属系の強磁性体を用いたスピン波の応用も重要となってくる。そこで絶縁体・金属などの材質に依らないスピン波デバイスの研究開発を目標にする。具体的には準周期構造を持つマグノニック結晶を設計し、スピン波の伝播特性を制御する。
準周期構造は量子ホール効果と類似のトポロジーを持つため、近年精力的に研究されているトポロジカル相の物理の諸原理をデバイス開発に応用することが可能となる。我々はマグノニック結晶に準周期構造を導入することで、トポロジカルな性質を持つ特異なスピン波モードを発現させ、擾乱に強く、材質に依らないスピン波の伝搬技術の研究開発を行っている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
平成29年度は [1] 絶縁体及び金属マグノニック結晶の作製技術の確立、[2] 準周期構造を持つマグノニック結晶においてトポロジカルな界面状態を発現させる構造の設計、の2つを研究目標に据えた。
[1] 絶縁体マグノニック結晶を作製するため、MOD (金属有機化合物分解法) に基づく強磁性薄膜形成について研究・改良をすすめた。現状 X 線回折法を用いた構造解析により YIG の構造がサンプル中に生成されていることが確認できている。また振動試料型磁力計を用いて静的な磁化を測定し、強磁性を示すヒステリシス信号が確認できた 。しかしながらスピン波のような動的な信号はまだ確認されていない。これは MOD で作製された強磁性薄膜は多結晶構造を持つことが要因だと考えられる。一方金属マグノニック結晶を作製するため、マグネトロンスパッタ法による強磁性薄膜の作製をすすめた。材料としては金属強磁性体であるパーマロイを用いた。こちらのサンプルでは十分な強度のスピン波の検出に成功した。現在は準周期パターンを持つ強磁性薄膜を作製するため、電子線描画装置を用いた重ね描画の条件出しをすすめている。
[2] 準周期マグノニック結晶の設計を行うため、準周期的な配列を持つ一次元タイトバインディングモデルで解析を行った。その結果をもとにパーマロイ・ニッケルを材料として、グレーテング構造・ストライプ構造について LLG 方程式を数値的に解き、バンド構造・モードの解析を行った。結論として異なる準周期配列を連結させた準周期マグノニック結晶の界面に局在状態が出現するという興味深い結果が得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の原理的に材料ではなく構造によって機能を発現させるアプローチを取っている。そこで今後の方針としては、強磁性薄膜として良い特性が得られた金属強磁性体を中心に研究をすすめる。第一に計算・解析の結果得られた準周期マグノニック結晶の作製及び実験的検証に注力する。現在マグノニック結晶作製の課題として、電子線描画装置を用いた重ね描画におけるグレーティングパターンの作製精度が挙げられる。現在マグノニック結晶の格子定数は 1 μm で設計を行っている。これに対して重ね描画によるパターンの位置合わせの精度は 3 μm である。この問題を解決するため、電子線描画法を用いて磁性構造体の作製を行っている福岡大学理学部の笠原博士と研究討議を行った結果、構造体の作製精度を 1 μm 以下に抑えることが可能であることが判明した。今後は得られた知見をもとにマグノニック結晶の作製をすすめる。計算の結果パーマロイ・ニッケルを用いたストライプ構造において同様に、界面状態が発現することが確認できている。ストライプ構造も電子線描画装置を用いて作製することが可能なため、グレーティング構造と並行して作製条件の割り出しをすすめる。現在高周波プローバーとベクトルネットワーク・アナライザを用いたスピン波の計測を行っている。測定系の改善を行うため、スピン波のグース・ヘンシェン効果の観測に用いられた、指向性の強い局所アンテナ構造の設計と作製をすすめる。またアンテナを用いた局所的な計測系とは別に、マイクロ波と磁気光学効果を併用することで、スピン波の定常的な空間イメージングを行う光学実験の構築もすすめていく計画である。
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| Causes of Carryover |
平成 29 年度の研究計画の中で解析・数値計算による準周期マグノニック結晶の設計は完了した。一方マグノニック結晶の作製は当初計画よりも遅れているため、本格的な実験研究は翌年度に持ち越された。平成 30 度ではこのことを踏まえ、物品費は主にスピン波の磁気光学的イメージングに必要な光学備品の購入に充てる。またフィンランドで行われる国際会議 Metamaterials 2018 で講演発表を行う予定となっており、海外出張及び本研究の論文出版に研究予算を充てる予定である。
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