2020 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 | 超音波 / フェムト秒パルスレーザ / ポンププローブ法 / 反強磁性 / フォノン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度はNiOのフォノン特性の解明において大きく分けて4種類の実績を得た。1つ目は高周波フォノンを薄膜内に励起するために音響インピーダンスの小さいSi基板を用いて結晶性・平坦性の高いPt/NiO多層膜を作製した。従来はAl2O3（0001）基板を用いることで配向性を揃えた試料を作製していたが、NiOとAl2O3は音響インピーダンスも近いためフォノンエネルギの基板への漏洩が多かった。そこでSi基板を用いつつ、配向性・平坦性の高い多層膜試料を作成した。そのうえで2つ目の成果として170-260 GHzのフォノンのみ薄膜内に局在化させることができるPt/NiO多層膜構造によるフォノニック結晶の計算・作製・計測に成功した。更に薄膜状態におけるNiOのフォノン特性を正確に計測するために、Pt/NiO/Pt3層膜構造の試料を作製し、NiOの音速・弾性特性を正確に計測することができる手法を開発した。この手法は誘電体ナノ薄膜一般に対して応用することが可能であり、汎用性が高く、学術的・興行的に重要な成果である。実際、NiOの弾性定数は成膜温度によって75％以上変化し、また同じ成膜温度でも基板によって10-20％程度変化することを解明した。
また4つ目の成果として薄膜の弾性定数との比較のためバルク体に対するフォノン・マグノン特性についても3種類の超音波計測法を用いて計測した。単結晶バルク体に対してレーザを用いて弾性定数を計測した値と超音波共鳴法または水中超音波エコー法によって計測した弾性定数は約10％程度の差が生じた。これは反強磁性結合によるドメイン構造が弾性特性・フォノン特性に与える影響および、計測手法の観察領域の違いを表している。またNiOの弾性定数の過去の報告値も大きくばらついており、本年度の成果はNiOの弾性特性の解明に大きく寄与した。
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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
今年度はNiOの薄膜及びバルク体における弾性特性を大きく解明することができ、更に高周波フォノン特性についてもフォノニック結晶の理論計算及び実際の試料作成、周波数特性の評価まで統合して進めることができたためおおむね順調に進展している。
試料を薄膜化した際のフォノン特性はバルク体から大きく変わることが多い。従って薄膜のフォノン特性を正確に解明することは高度なデバイス設計においては必要不可欠である。本年度はそのようなNiOナノ薄膜の弾性特性を解明することができ、また更にバルク体NiOの弾性特性についても実際に計測を行い薄膜の特性と比較・評価することができた。
これにより当初の計画通り音響インピーダンスが異なる基板上においてフォノニック結晶を作製し、フォノンの閉じ込め効果を実現するに至った。作製した試料のフォノン特性は理論計算とよく一致し、従来の想定通りサブTHz帯のフォノンを薄膜中に局在化させることに成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度はNiOのフォノン特性をさらに詳細に解明することで未だに不明な部分が多い反強磁性NiOナノ薄膜中のフォノン特性を利用した反強磁性共鳴の実現を目指す。NiOやCoO、MnOなどの反強磁性体は反強磁性結合を示すネール点以下において磁気結合により結晶にひずみが生じる。これは単結晶試料でもドメイン構造を形成し、マクロな弾性特性とも大きく関係している。従って、単結晶ナノ薄膜を作製してもそのフォノン特性は磁気ドメイン構造による影響も含むと考えられる。本年度はこのような磁気ドメインとフォノン特性の相関についてまず単結晶バルク反強磁性体の弾性共鳴特製をネール点前後において正確に計測し、その弾性率及びフォノン散逸特性から磁気ドメイン形成における弾性特性の変化及び原子挙動の解明を目指す。それにより反強磁性ナノ薄膜のフォノン特性に磁気ドメインが及ぼす影響について知見を積み重ね、フォノン・マグノンカップリングの実現を目指す。
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