2020 Fiscal Year Annual Research Report
マグノニック機能創発のための電圧効果と凝縮効果の研究
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19H00861
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
関口 康爾 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (00525579)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
立崎 武弘 東海大学, 工学部, 講師 (20632590)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | スピン波 / マグノン / 論理演算 / マグノニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は、マグノニック機能の一つとして独立のマグノン伝搬モードの相互変換に取り組み、実時間データとして観測することに成功した。これまでにマグノニック回路の要素技術として、ＸＯＲ演算素子やマルチプレクサなどが開発されてきたが、異なる伝搬モードを活用しており、半導体CMOS等に見られる高密度化・多段化信号処理が実現できていなかった。これに対して、前年度に開発したサブミリメートルのポイントコンタクトと呼ばれる局所熱制御技術によって、独立のマグノン伝搬モード（表面マグノン）を冷却によりバックワードマグノンに変換させ、逆に加熱によってバックワードマグノンを表面マグノンに変換させる技術を開発した。一方、マグノニック結晶をつかったスピン波伝搬制御に関して、ダブル・メアンダ構造を取り入れることで、周期的な磁場構造によって伝搬スピン波パケットのスイッチングに成功した。実時間での信号パケットが１２ｄＢでオン・オフ切り替えできることに成功し、マグノン伝搬の電気制御に近づいた。
電圧効果に関して、異方性磁界を電圧によって制御することでスピン波を励起する技術を計算機シミュレーションにより研究した。その結果、実験的に電圧効果が確認されている鉄単結晶を試料材料とすることで、スピン波干渉を誘起する条件を見つけることができた。さらに、励起・検出素子配置を考案することで、鉄単結晶薄膜がスピン波物理リザバーとして機能することを見いだした。マグノン凝縮効果に関して、パラメトリックポンピングという技術に関して、３Ｗ程度の高強度入力を使って垂直配置におけるポンピングを行い、ブリルアン散乱分光法で高密度マグノン生成が実現できることがわかった。一方、これまで他の研究グループによって報告されていた平行配置と呼ばれるポンピング方法では高密度マグノンが実現できていないことがわかり、未知の原因が存在することがわかった。
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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
マグノニック機能の創出には、半導体技術と同様の高密度化や多段化が求められる。これまでに二次元平面でのマグノニック素子の連結すら実現できていなかったが、その障害となっていたマグノンの面内モード変換を解決する技術を見つけることができた。これにより、マルチプレクサとトランジスタの連結する研究へと発展することが可能となった。さらに、マグノニック結晶と呼ばれる技術によってマグノン伝搬を動的に制御できたため、マグノントランジスタなどのマグノン信号を動的に処理するマグノニック回路の実現に近づいたと考えられる。また、電圧効果を活用したスピン波リザバーの研究によって、センサーなどの信号をネットワークエッジで処理するデバイスや、機械学習応用などの可能性を拡げることができた。マグノン凝縮効果に関しては、マグノン密度が励起直後からどのように時間発展するかという時間分解測定の確立ができたが、パラメトリックポンピングという基礎技術の構築では、平行配置でのポンピングに難点を残した状態である。以上の理由により、マグノニック機能創発の基礎現象の研究という観点からは、順調にすすんでいると評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、本年度で発展したポイントコンタクト熱制御、電圧効果によるスピン波リザバーの確立、マグノニック結晶による動的信号制御、マグノン凝縮効果と量子効果についての研究を推進していく。ポイントコンタクト熱制御に関しては、モード変換した後のスピン波を長距離伝搬させ、マグノン演算への応用、ソリトン化による信号伝送応用へと発展させていく。これらの研究により二次元平面での異なるマグノニック機能の多段化、高集積化させる研究に取りかかる。電圧効果については、計算機シミュレーションで示した鉄単結晶薄膜における電界効果を実験的に実現するため、ＭＴＪピラー構造などを作製し、世界で誰も為し得ていないスピン波物理リザバー素子の試作を開始する。これにより莫大なセンサー信号などの大規模処理に役立てるスピン波機械学習素子の開発へと展開させていく。またパラメトリックポンプによる高密度マグノン凝縮の作製に関しては、研究協力者とのディスカッション・コミュニケーションを密にして、基礎技術における問題点を解決させる。パラメトリック励起はマグノン信号増幅というマグノニック機能の重要な側面を持っているため、ポイントコンタクト熱制御で多段化した回路において増幅器機能を提供できると考えられる。それぞれの要素技術が絡み合ってきているため、マグノニック機能開発の進展が期待できる。
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