2018 Fiscal Year Annual Research Report
Spin dynamics in antiferromagnetic nanofilms studied by phonon-magnon interaction
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18H01859
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
長久保 白 大阪大学, 工学研究科, 助教 (70751113)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森山 貴広 京都大学, 化学研究所, 准教授 (50643326)
塩田 陽一 京都大学, 化学研究所, 助教 (70738070)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 反強磁性ナノ薄膜 / フォノン / マグノン / カップリング / フェムト秒パルスレーザー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究ではフェムト秒パルスレーザーを用いたポンプ・プローブ法によって、反強磁性ナノ薄膜中のスピンダイナミクスを解明することを目的としている。その中で本研究が特色とするのは従来の光（電磁波・熱）と磁化・スピンの直接的な相互作用を利用するのではなく、フォノン・マグノンの相互作用を利用することによって反強磁性ナノ薄膜の磁化振動を励起しようと試みている点である。そのために本研究ではフェムト秒パルスレーザーを用いた手法によってフォノンとマグノンのカップリングをまず強磁性体中で自在に制御することを目的としている。
初年度である平成30年度は強磁性薄膜（Ni80Fe20）を用いてフォノンとマグノンの周波数をGHz帯で独立に制御する実験を達成した。厚さ10-40 nmのNi80Fe20薄膜を基板上に成膜し、電子線リソグラフィによって幅100-400 nmのワイヤ状に加工することでフォノン（表面弾性波）の周波数を6-12 GHzの範囲で制御することに成功した。また0-300 mTの強度の磁場を20-60度の範囲で印可することによって、Ni80Fe20の強磁性共鳴をpsオーダーの時間領域において励起・検出し、5-14 GHzの範囲で制御することに成功した。
また、今後の反強磁性ナノ薄膜に対する実験のために5 Tの磁場を印可しながら試料温度を4 Kから300 Kの範囲でコントロールできる超伝導マグネットシステムを非磁性除振台上に導入した。これにより大気環境下においても1 T程度の強磁場を試料任意方向に印可することができるようになったため、従来の電計計測手法では計測できない数十GHz帯における強磁性体のスピンダイナミクスも励起・検出できるようになった。
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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
本年度は計画通り強磁性体中におけるフォノン・マグノンの周波数をコントロールした励起検出実験に成功し、本研究の最終目標である反強磁性ナノ薄膜に対する実験に向かって順調に推移しているため、計画通りおおむね順調に進展している。
フェムト秒パルスレーザーを用いたポンププローブには高度な技術を要する。従来の実験は比較的磁場の小さい数百mTオーダーの環境下で強磁性体薄膜に対する計測を行っているだけであったため通常のステンレスSUS430系材料を用いた着磁性除振台を用いて実験を行うことができた。しかし本研究では反強磁性ナノ薄膜の磁化特性を外部磁場と温度によって制御する必要があるため、5 Tの強力磁場を印可できる超伝導マグネットを導入する必要があった。そのような超伝導マグネットを使用する場合、着磁性の除振台では磁場によってマグネットの間に強力な引力を発生させてしまうため使用することはできない。そのため非磁性の除振台を導入する必要があり、実験系をすべて構築しなおす必要が生じた。本年度は大幅な実験装置の移動もしつつ、非常に高い信号-雑音比と再現性でGHz帯におけるフォノン振動（表面弾性波）とマグノン振動（強磁性共鳴）を励起検出する実験に成功し、順調に推移しているといえる。
また来年度へ向けた実験環境も順調に整っている。前述した通り超伝導マグネットはすでに導入して5 Tの強力磁場を印可する実験には成功し、また反強磁性ナノ薄膜としてNiOナノ薄膜をスパッタリング法により成膜することにはすでに成功している。今後に向けた予備実験でも成果を上げることができたため、本研究はおおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は励起手法の提案と検出手法の改善を目指した以下の2点に沿って研究を推進する。まず1点目は強磁性ナノ薄膜中においてフォノンとマグノンの相互作用をフェム秒パルスレーザーを用いることでnm・ps領域において観測することである。反強磁性NiOナノ薄膜のスピンダイナミクスを解明することが難しい理由の第1点は外場との相互作用が小さいという点である。そのため本研究ではナノ薄膜の厚さと同じオーダーの波長を有するTHzフォノンに着目した。波長・周波数が一致したフォノンを用いることでマグノンとの強い相互作用が期待できる。これをまずは強磁性薄膜中で同様の実験を行うことで、フォノンを用いたマグノンの操作技術を確立し、強磁性体中におけるフォノン・マグノン相互作用において新たな知見の獲得を目指す。
2点目は誘電体多層膜や2次元パターンを作製することで検出光（電場）の閉じ込めを行い、磁気光学Kerr効果の増幅を行う。反強磁性ナノ薄膜のスピンダイナミクスは検出することも非常に難しい。まずその振動周波数はTHzオーダーのため従来の電気的な計測手法では観測することができない。そこで本研究ではサブpsオーダーの時間分解能を有するフェムト秒パルスレーザーを用いたポンププローブ法を用いる。しかしさらに、そのスピンダイナミクスと光との相互作用は反強磁性体中で磁化が打ち消されあうため、反強磁性共鳴を検出することも難しい。そこで本研究ではフォトニック結晶やプラズモン共鳴を用いることで電場強度を局所的に増幅し、磁気光学Kerr効果の増幅を目指す。
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