Control of magnetization by terahertz pulses and ferromagnetic spin dynamics

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H02206
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 中嶋 誠 大阪大学, レーザー科学研究所, 准教授 (40361662)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 好田 誠 東北大学, 工学研究科, 准教授 (00420000)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: テラヘルツ / 磁化 / 超高速 / 磁性体 / スピン

Outline of Annual Research Achievements

テラヘルツ波による磁性体のスピンダイナミクスに関する研究を実施した。希土類オルソフェライト試料の単結晶成長を実施し、良質の大型単結晶試料の作製に成功した。f電子遷移励起およびフォノン励起の直接励起の及ぼすスピン再配列転移ダイナミクスの観測について、詳細に調べた。スピン再配列転移近傍の温度を詳細に確認し、励起直後のスピン系との相互作用についてその時間ダイナミクスを明らかにすることができた。本案件については、現在論文投稿中である。室温下において、スピン再配列転移のテラヘルツ制御実験を実施中である。対象の単結晶試料作製しその薄膜試料の準備を行った。また、有限要素法を用いた計算を実施することで実験条件や強磁性共鳴モードに共鳴する金属微細構造を、試料表面に作製した。現在、詳細な温度特性や応答感度の確認を実施しているところである。光励起スピン流によるテラヘルツ波放射が生じる磁性体ヘテロ構造素子では、Fe/Pt, Co/Pt の２層系の試料のみならず、非磁性層を２層にした３層系の試料の作製も実施した。ヘテロ界面近傍で生じるスピンホール効果とテラヘルツ放射強度やその時間波形の関係について比較を行っている。試料の膜厚に非常に鋭敏な素子であるため試料ごとの比較が困難な問題がある。これを解決するために、大口径試料上で厚み勾配をもつ試料を作製することで、純粋な厚みの寄与の評価を行えるようにした。磁性・非磁性金属による違いについても評価を行った。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

昨年度は、コロナ禍のために、出張等が大きく制限され、それによって研究進展が一部遅れるなどの状況が生じた。本研究計画では、試料作製等において、外部の研究機関での利用を計画しており、一部はできなかったり、延期や回数の減少などが実際に生じた。また、一方で研究打ち合わせでのZoom等による活用により遠隔地の研究者との連絡がスムーズとなり、研究進展にプラスの影響を与えている。磁性体試料の作製などにおいては一部遅延がみられるが、共同研究を介して進めた実験においては、当初予定を上回る成果が得られている。特に中赤外励起の研究においては、すでに論文投稿に至っており、想定通りの成果が得られている。

Strategy for Future Research Activity

引き続きテラヘルツ・光波励起やテラヘルツ波放射による磁気ダイナミクスの研究をすすめる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] コンスタンツ大学(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: コンスタンツ大学
• [Int'l Joint Research] 南京大学/南京誘電大学(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: 南京大学/南京誘電大学
• [Journal Article] Anisotropic complex refractive index of b-Ga2O3 bulk and epilayer evaluated by terahertz time-domain spectroscopy (2021)
  • Author(s): V. C. Agulto, K. Toya, T. N. K. Phan, V. K. Mag-usara, J. Li, M. J. F. Empizo, T. Iwamoto, K. Goto, H. Murakami, Y. Kumagai, N. Sarukura, M. Yoshimura, and M. Nakajima
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 118 Pages: 042101
  • DOI: 10.1063/5.0031531
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Longitudinal and transverse spatial beam profile measurement of relativistic electron bunch by electro-optic sampling (2021)
  • Author(s): M. Ota, K. Kan, S. Komada, Y. Arikawa, T. Shimizu, V. K. Mag-usara, Y. Sakawa, T. Matsui, and M. Nakajima
  • Journal Title: Appl. Phys. Express Volume: 14 Pages: 026503
  • DOI: 10.35848/1882-0786/abd8677
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Reconfiguration of magnetic domain structures of ErFeO3 by intense terahertz free electron laser pulses (2020)
  • Author(s): T. Kurihara, K. Hirota, H. Qiu, K. Phan, K. Kato, G. Isoyama and M. Nakajima
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Pages: 7321
  • DOI: 10.1038/s41598-020-64147-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Magnetic pole flip by millimeter wave (2020)
  • Author(s): S. Ohkoshi, M. Yoshikiyo, K. Imoto, K. Nakagawa, A. Namai, H. Tokoro, Y. Yahagi,K. Takeuchi, F. Jia, S. Miyashita, M. Nakajima, H. Qiu, K. Kato, T. Yamaoka, M. Shirata, K. Naoi, K. Yagishita H. Doshita
  • Journal Title: Advanced Materials Volume: 32 Pages: 2004897
  • DOI: 10.1002/adma.202004897
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 3D porous graphene assisted capsulized cholesteric liquid crystals for terahertz power visualization (2020)
  • Author(s): L. Wang, R.Xiao, S. Yang, H. Qiu, Z. Shen, P. Lv, C. Zhang, W. Wei, M. Nakajima, B. Jin, and Y. Q. Lu
  • Journal Title: Optics Letters Volume: 45 Pages: 5892-5895
  • DOI: 10.1364/OL.405695
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Terahertz Spintronic Emission from Fe/Pt Hetero-Structure and Its Sensing Applications (2021)
  • Author(s): M. Tani, M. Talara, D. Bulgarevich, V. Mag-usara, K. Tominaga, M. Escano, C. E. Petoukhoff, J. Mado, D. R. Bacon, K. Dani, G. Torosyan, L. Scheuer, R. Beigang, E. Th. Papaioannou, H. Kitahara, J. Muldera, J. Afalla, T. Furuya, M. Nakajima, and M. Watanabe
  • Organizer: XXV International Symposium Nanophysics and Nanoelectronics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 金属マイクロコイルアレイによるテラヘルツ帯透過特性 (2021)
  • Author(s): 凌子祺, 益田洋平, V. K. Mag-usara, 芳我基治, 吉村政志, 中嶋誠
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] THz-TDS透過測定を用いた電気回路 モデルによるグラフェンの電気特性評価 (2021)
  • Author(s): 鈴木拓輝, 藤井高志, 毛利真一郎, 岩本敏志, 上田悠貴, 成塚重弥, 中嶋誠, 荒木努
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 非線形光学ポリマーのシュタルク効果を利用した超高周波電界検出と応用 (2021)
  • Author(s): 山田俊樹、梶貴博、山田千由美、有川安信、中嶋誠、大友明
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 中赤外f-f電子共鳴によるSm0.7Er0.3FeO3のスピン再配列相転移 (2021)
  • Author(s): 栗原貴之, Gabriel Fitzky, 弘田和将, 小池遥平, 邱紅松, 中嶋誠, Alfred Leitenstorfer
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会,
• [Presentation] THz-FEL照射による磁区構造変化の観察 (2021)
  • Author(s): 中嶋誠, 栗原貴之
  • Organizer: 大阪大学産業科学研究所量子ビーム科学研究施設令和２年度成果報告会
• [Presentation] LTRAFAST SPIN SPECTROSCOPY AND CONTROL IN THE MAGNETIC MATERIALS BY TERAHERTZ PULSES (2020)
  • Author(s): M. Nakajima
  • Organizer: 47th IEEE International Conference on Plasma Science (ICOPS2020)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] TERAHERTZ EMISSION PROPERTIES FROM FE/PT METALLIC SPINTRONIC HETERO-STRUCTURES (2020)
  • Author(s): M. Tani, V. Mag-usara, M. Talara, C. Tachioka, J. Afalla, J. Muldera, T. Furuya, M. C. S. Escano, G. Torosyan, L. Scheuer, D. Sokoluk, M. Rahm, E. Th. Papaioannou, R. Beigang, C. E. Petoukhoff, J. Mado, K. M. Dani, K. Saito, Q. Guo, H. Kitahara, M. Nakajima, D. Bulgarevich, M. Watanabe
  • Organizer: 47th IEEE International Conference on Plasma Science (ICOPS2020)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Studies for enhancing THz emissions from optically excited spintronic metallic films (2020)
  • Author(s): M. Tani, M. Talara, D. Bulgarevich, V. K. Mag-usara, J. Muldera, T. Furuya, H. Kitahara, M. C. Escano, Q. Guo, M. Nakajima, M. Watanabe
  • Organizer: The 38 th SPP Physics conference (SPP2020)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Manipulation of ferromagnetic domain by the terahertz free electron laser excitation (2020)
  • Author(s): M. Nakajima, T. Kurihara, T. Shimizu, Y. Koike, and G. Isoyama
  • Organizer: Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Terahertz emission amplitude-based 2D mapping of the Fe thickness profile in Fe/Pt spintronic heterostructure (2020)
  • Author(s): Y. Koike, S. Tetsukawa, M. Nishitani, H. Kitahara, V. K. P. Mag-usara, M. Asakawa, M. Yoshimura
  • Organizer: Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] THz Emission Amplitude Enhancement of Fe/Pt Diabolo-shaped Spintronic Antennas Fabricated on MgO Substrates (2020)
  • Author(s): Miezel Talara, Dmitry Bulgarevich, Valynn Katrine Mag-usara, Chiyaka Tachioka, Joselito Muldera, Hideaki Kitahara1, Mary Clare Escano, Makoto Nakajima, Makoto Watanabe and Masahiko Tani
  • Organizer: JSAP-OSA Joint Symposia 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高強度テラヘルツパルスによる電子スピン制御 (2020)
  • Author(s): 志田 博貴, 高澤 一朗太, 石谷 善博, 中嶋 誠, 森田 健
  • Organizer: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] テラヘルツパルスによる超高速スピン分光と制御 (2020)
  • Author(s): 中嶋誠
  • Organizer: 磁気学会 第75回スピントロニクス専門研究会
  • Invited
• [Patent(Industrial Property Rights)] テラヘルツ光源、流体検知器、及び、テラヘルツ波生成方法 (2020)
  • Inventor(s): 中嶋誠、V.Magusara、西谷幹彦
  • Industrial Property Rights Holder: 中嶋誠、V.Magusara、西谷幹彦
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2020-180774