2017 Fiscal Year Research-status Report
複合物理計算を用いた電磁波によるスピン波制御の解明と次世代省電力素子の創生
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17K06401
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
大貫 進一郎 日本大学, 理工学部, 教授 (80386002)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山口 隆志 地方独立行政法人東京都立産業技術研究センター, 開発本部開発第三部生活技術開発セクター, 副主任研究員 (30560130)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 複合物理解析 / 時間応答解析 / 有限差分法 / マックスウェル方程式 / LLG方程式 / 磁化のダイナミクス / スピン波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
２０１７年度は、広帯域複合物理計算法の開発」と「スピン波励起及び伝搬制御」に関する研究を主に行った。これらのテーマに関する研究実績の概要は以下の通りである。
１）広帯域複合物理計算法の開発：磁化の歳差運動を表すランダウ・リフシッツ・ギルバート(LLG)方程式と電磁界の支配方程式であるマックスウェル方程式を差分法により時空間で同時解析する手法を開発した。開発法は、磁化のダイナミクスと電磁界との相互作用を考慮した複合物理計算が可能であり、複雑な挙動の磁化と電磁界との相互作用を解析できる。また、空間セルサイズの変化に対する数値結果の考察より，電磁波と磁化のマルチスケール解析の重要性を明らかにした。
２）スピン波励起及び伝搬制御：開発した複合物理計算法を用いて、複雑な挙動を有する磁化のダイナミクスと電磁界との相互作用との解析を行った。外部磁界により、ある一方向に磁性膜を飽和させた解析モデルを検証した。イットリウム・鉄・ガーネットの磁性膜に平面電磁波の入射を想定する。透磁率をテンソル形式で考慮した従来手法と、時空間での複合物理計算を実行する開発法とを比較すると、磁化の非線形性が発現しない条件において両者の結果は一致した。これに対して、高強度な電磁波を入射した磁性体の非線形性を発現するモデルでは、両者の結果に差異が確認でき、開発法の信頼性が高いと結論づけられた。また、外部磁界により、ある一方向に飽和した磁性薄膜をモデルに対しても解析を行った。磁性体における磁化にある初期分布を与えたところ、磁性薄膜中には磁化間の相互作用により複数モードの定在波が生じた。磁性薄膜外部の観測点における磁界の時間応答解析より、これらの影響がひずみ波として観測できることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
２０１７年度においては、以下に得られた研究成果より、本研究はおおむね順調に進展していると判断する。
１）広帯域複合物理計算法の開発：当初の予定通り、磁化のダイナミクスと電磁界の相互作用を解析する複合物理計算を実現できた。磁化のダイナミクスはランダウ・リフシッツ・ギルバート(LLG)方程式を逐次計算により解析した。また、電磁界の支配方程式であるマックスウェル方程式に関しても逐次計算で解析を行い、これらの結果を時空間で連成解析することで複合物理計算を実行した。従来法との比較より、磁化の非線形性が現れないモデルに関しては数値結果が一致すること、非線形性を有する場合は開発法でのみ正確な解析ができることを明らかにし、その有用性を示した。また、空間セルサイズの変化に対する開発法の信頼性も併せて検証した。
２）スピン波励起及び伝搬制御：開発法を用いた複合物理シミュレーションにより検証を行った。外部磁界により、ある一方向に磁化を飽和させた解析モデルに対する検証では、イットリウム鉄ガーネットを想定した磁性膜に平面電磁波を入射した。複合物理計算が可能な開発法と透磁率をテンソル形式で考慮した従来手法を比較すると、磁化の非線形性が発現しない条件において両者の結果は一致する。これに対して、高強度な電磁波を入射することで，磁性体の非線形性を発現するモデルでは、両者の結果に差異が確認できた。また、外部磁界により、ある一方向に飽和した磁性薄膜をモデルに対しても解析を行った。磁性体における磁化にはある初期分布を与えた場合、磁性薄膜中には磁化間の相互作用により複数モードの定在波が生じる。磁性薄膜外部の観測点において時間応答を解析したところ、これらの影響がひずみ波として観測できることを明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
２０１７年度に実施した課題、「広帯域複合物理計算法の開発」と「スピン波励起及び伝搬制御」に関する研究を引き続き実施し、得られた成果を元に「スピン波デバイスのシミュレーション設計」などを実施する。
１）広帯域複合物理計算法の開発：昨年度開発した電磁界と基本物性ソルバーを統合し、電磁波、磁性に熱などの効果を加えた３次元物性ソルバーの開発を目的とする。昨年度本基金で購入した高性能クラスタ計算機を用いて、並列・分散計算による計算の高速化を試みる。研究代表者が開発を続ける、複素周波数領域における有限差分法を本解析法への適用を試み、完全並列化計算を検討する。また不均一セルやスムージングなどを用いた効率的なモデル化も試みる。
２）スピン波励起及び伝搬制御：昨年度開発した複合物理計算法を用いて、磁性体中のスピン波伝搬を外部からの電磁パルス印加により制御する方法の基礎検証を行う。具体的には、電磁パルスのスポット形状変化に対するスピン波の伝搬方向制御、電磁パルスの中心周波数変化によるスピン波モード選択、磁性体の温度変化に対する磁化の縦緩和と横緩和などの観点からスピン波伝搬制御方法の確立を試みる。
３）スピン波デバイスのシミュレーション設計：スピン波励起及び伝搬制御に関する研究で解明するスピン波励起・伝搬制御方法を元に、磁性ガーネットなどに誘起されたスピン波の振幅及び位相制御を、外部からの電磁パルス印加により行う方法を複合物理シミュレーションにより検証する。複数のスピン波に対する干渉条件の確立も併せて試みる。論理演算をスピン波干渉などにより実現することを目的として、ジュール熱損失のない省電力論理演算素子の基本回路など設計を試みる。
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| Causes of Carryover |
２０１７年度に申請した旅費に一部計画変更が生じ、１９万円（代表者１４万円、分担者５万円）の残額が生じた。これらは、２０１８年度に開催される国際会議(URSI-ATRASC 2018, Gran Canaria, Spain)で依頼された関連研究テーマに関する招待講演の参加旅費等に充てる。
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