Control of magnetization by terahertz pulses and ferromagnetic spin dynamics

2022 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, 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

テラヘルツ波励起および光励起による磁性体の超高速スピンダイナミクスを明らかにすることを目的とし、研究を実施している。特に光励起過程における電子励起やフォノン励起によるマグノンへの寄与の過程や、テラヘルツ励起による直接マグノンを励起・制御することを実験的に実証する。磁性体中での磁気ダイナミクスについて、磁気光学効果による検出のみならず、テラヘルツ波による磁化の検出や、光励起スピン流からのテラヘルツ波放射を基に研究を進めた。対象の磁性体は、希土類オルソフェライトや金属磁性体ヘテロ構造試料である。どちらの試料についてもフローティングゾーン法、マグネットスパッタリング法にて、我々で作製したものである。昨年までに光励起やスピン流からのテラヘルツ波放射に関しては、計画以上の成果がでている。最終年である本年にて、テラヘルツ励起のスピン再配列転移の制御にて成果がでている。メタマテリアルによるテラヘルツ磁場増強効果を利用して、磁気モードの共鳴励起により、実現できている。現在本成果については論文投稿中である。またテラヘルツ波の技術を利用した電気光学効果を用いて、超高速電場分布のシングルショット計測を、電子線パルスが誘起するクーロン場に適用した実験において、電場の収縮過程の時空間分布測定に成功した。この成果は、電磁気における特殊相対論の基本部分の初めての実験的な実証に相当し、Nature Physics誌に掲載されるなど高い注目を得ている。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Konstanz(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: University of Konstanz
• [Int'l Joint Research] 南京大学/南京郵便電大学(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: 南京大学/南京郵便電大学
• [Journal Article] Observation of terahertz-induced dynamical spin canting in orthoferrite magnon by magnetorefractive probing (2023)
  • Author(s): Kurihara Takayuki、Bamba Motoaki、Watanabe Hiroshi、Nakajima Makoto、Suemoto Tohru
  • Journal Title: Communications Physics Volume: 6 Pages: 51
  • DOI: 10.1038/s42005-023-01167-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Characterization of electrical properties of β-Ga₂O₃ epilayer and bulk GaAs using terahertz time-domain ellipsometry (2023)
  • Author(s): Iwamoto Toshiyuki、Agulto Verdad C.、Liu Shuang、Wang Youwei、Mag-usara Valynn Katrine、Fujii Takashi、Goto Ken、Kumagai Yoshinao、Nakajima Makoto
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 62 Pages: SF1011
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acbc84
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ultrafast visualization of an electric field under the Lorentz transformation (2022)
  • Author(s): Ota Masato、Kan Koichi、Komada Soichiro、Wang Youwei、Agulto Verdad C.、Mag-usara Valynn Katrine、Arikawa Yasunobu、Asakawa Makoto R.、Sakawa Youichi、Matsui Tatsunosuke、Nakajima Makoto
  • Journal Title: Nature Physics Volume: 18 Pages: 1436～1440
  • DOI: 10.1038/s41567-022-01767-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ablation phenomena by intense terahertz vortex beam (2022)
  • Author(s): Wang You Wei、Segawa Sadashi、Shimizu Tomoki、Agulto Verdad C.、Mag-usara Valynn Katrine、Kato Kosaku、Miyamoto Katsuhiko、Omatsu Takashige、Makino Kotaro、Tominaga Junji、Isoyama Goro、Asakawa Makoto、Nakajima Makoto
  • Journal Title: Applied Physics A Volume: 128 Pages: 836
  • DOI: 10.1007/s00339-022-05970-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Optimum excitation wavelength and photon energy threshold for spintronic terahertz emission from Fe/Pt bilayer (2022)
  • Author(s): Mag-usara Valynn Katrine、Escano Mary Clare、Petoukhoff Christopher E.、Torosyan Garik、Scheuer Laura、Mad?o Julien、Afalla Jessica、Talara Miezel L.、Muldera Joselito E.、Kitahara Hideaki、Bacon David R.、Nakajima Makoto、Dani Keshav、Papaioannou Evangelos Th.、Beigang Ren?、Tani Masahiko
  • Journal Title: iScience Volume: 25 Pages: 104615～104615
  • DOI: 10.1016/j.isci.2022.104615
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] THz generation by optical rectification of femtosecond laser pulses in a liquid crystal (2022)
  • Author(s): Wang Lei、Qiu Hongsong、Jin Ping、Ge Shijun、Shen Zhixiong、Hu Wei、Li Bingxiang、Nakajima Makoto、Jin Biaobing、Lu Yanqing
  • Journal Title: Journal of the Optical Society of America B Volume: 39 Pages: A89～A89
  • DOI: 10.1364/JOSAB.445568
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental observation of sub-THz magnon fluctuations in antiferromagnet and spontaneous spin switching (2023)
  • Author(s): T. Kurihara, M. A. Weiss, A. Herbst, J. Schlegel, T. Dannegger, M. Evers, A.Donges, M. Nakajima, S. T. B. Goennenwein, U. Nowak
  • Organizer: Fluctuations and Nonlinearities (FaN) Conference 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Ultrafast spin fluctuations and random telegraph noise inantiferromagnetic Sm0.7Er0.3FeO3 (2023)
  • Author(s): M. A. Weiss, A. Herbst, J. Schlegel, T. Dannegger, M. Evers, A. Donges, M. Nakajima, A. Leitenstorfer, S. T. B. Goennenwein, U. Nowak, T. Kurihara,
  • Organizer: Fluctuations and Nonlinearities (FaN) Conference 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Stable optical beats in laser chaos near the threshold level for THz waves generation (2023)
  • Author(s): Kuwashima, M. Jarrahi, S. Cakmakyapan, O. Morikawa, T. Shirao, K. Iwao, K. Kurihara, H. Kitahara, T. Furuya, K. Wada, M. Nakajima, M. Tani,
  • Organizer: SPIE OPTO, (124200D)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sm0.7Er0.3FeO3の非共鳴THzパルス励起による強磁性スピン振動の観測 (2023)
  • Author(s): 丸山慶, 章振亜, 関口文哉, 栗原貴之, 中嶋誠, 立崎武弘, 金光義彦, 廣理英基.
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] Multicycle THz magnetic field inducing coherent spin switching (2023)
  • Author(s): 章振亜, 丸山慶, 関口文哉, 栗原貴之, 中嶋誠, 立崎武弘, 金光義彦, 廣理英基
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会,
• [Presentation] 相対論的収縮電場形成プロセスの観測 (2023)
  • Author(s): 太田雅人, 菅晃一, 王有為, V. C. Agulto, V. K. Mag-usara, 有川安信, 淺川誠, 坂和洋一, 松井龍之介, 中嶋誠
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Spectroscopic properties of calcium oxalate hydrates in terahertz region (2022)
  • Author(s): W. Zhao, S. Sakamoto, V. C. Agulto, M. Maruyama, V. K. Mag-usara, M. Ota, Y. Mori, M. Yoshimura, M. Nakajima.
  • Organizer: The Third International Symposium on Frontiers in THz Technology (FTT2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental Detection of Magnon Noise Enhancement near Spin Reorientation in Sm0.7Er0.3FeO3 (2022)
  • Author(s): M. Weiss, A. Herbst, M. Evers, J. Schlege, J. Ziser, M. Nakajima, S.T.B. Goennenwein, A. Leitenstorfer, U. Nowak, T. Kurihara,
  • Organizer: the conference Regensburg 2022, German Physical Society
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High Intensity Spintronic Terahertz Emitter with ITO and Microsheet Glass Structure (2022)
  • Author(s): T. Matsunaga, V. K. Mag-usara, K. Ejiri, S. Tetsukawa, S. Liu1, V. C. Agulto, S. Nishitani, M. Nishitani, M. Yoshimura, M. Nakajima
  • Organizer: 47th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantum Feature Extraction for THz Multi-Layer Imaging (2022)
  • Author(s): T. Koike-Akino, P. Wang, G. Yamashita, W. Tsujita, and M. Nakajima,
  • Organizer: 47th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observation of Third Harmonic Generation in Two-Dimensional MoS2 Semiconductor Using Terahertz Free-Electron Laser (2022)
  • Author(s): Y. Wang, V. C. Agulto, V. K. Mag-usara, M. Nishitani, G. Isoyama, M. Asakawa, M. Nakajima,
  • Organizer: 47th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optimum Optical Excitation Wavelength for Fe/Pt Spintronic THz Emitter (2022)
  • Author(s): V. K. Mag-usara, M. C. Escano, C. E. Petoukhoff, G. Torosyan, L. Scheuer, J. Afalla, M. Talara, J. Muldera, H. Kitahara, D. R. Bacon, M. Nakajima, K. Dani, E. Th. Papaioannou, R. Beigang, M. Tani,
  • Organizer: 47th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Absorption Properties of Calcium Oxalate in the Far-Infrared Region for Phase Identification in Kidney Stones (2022)
  • Author(s): V. C. Agulto, S. Sakamoto, M. Maruyama, V. K. Mag-usara, Y. Mori, M. Yoshimura, M. Nakajima.
  • Organizer: 47th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Terahertz Time-Domain Ellipsometry of Heavily Doped b-Ga2O3 (2022)
  • Author(s): V. C. Agulto1, T. Iwamoto, Y. Wang, S. Liu, V. K. Mag-usara, K. Goto, H. Murakami, Y. Kumagai, Makoto Nakajima.
  • Organizer: 47th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Laser-Induced Periodic Surface Structures on Ge2Sb2Te5 Irradiated by Terahertz Free-Electron Laser Vortex Beam (2022)
  • Author(s): Y. Wang, S. Segawa, T. Shimizu, Verdad C. Agulto1, V. K. Mag-usara, K. Miyamoto, T. Omatsu, K. Makino, J. Tominaga, G. Isoyama, M. Asakawa, M. Nakajima,
  • Organizer: 47th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Single-Shot Measurement of Relativistic Electron Bunch Using Electro-Optic Sampling (2022)
  • Author(s): K. Kan, M. Ota, S. Komada, Y. W. Wang, V. C. Agulto, V. K. Mag-usara, Y. Arikawa, T. Matsui, Y. Sakawa, M. Nakajima,
  • Organizer: 47th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Generation of a sub-picosecond sheet electron beam using a 100 fs laser (2022)
  • Author(s): M. Asakawa, S. Yamaguchi, M. Nakajima, Y. Karaki, H. Matsubara, Y. Miyajima, R. Michishita, T. Shirai, R.Horii, S. Yoshimatsu,
  • Organizer: 40th International Free Electron Laser Conference, (FEL2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Terahertz Time-Domain Rotating-Analyzer Ellipsometry (2022)
  • Author(s): V. Agulto, T. Iwamoto, V. Mag-usara, M. Nakajima, The 15th Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics 2022 (CLEO-PR 2022)
  • Organizer: The 15th Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics 2022 (CLEO-PR 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Stable optical beats in laser chaos for THz wave (2022)
  • Author(s): F. Kuwashima, M. Jarrahi, S. Cakmakyapan, O. Morikawa, T. Shirao, K. Iwao, K. Kurihara, H. Kitahara, T. Furuya, K. Wada, M. Nakajima, M. Tani,
  • Organizer: The 15th Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics 2022 (CLEO-PR 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Promotion of growth of targeted crystal face via laser ablation (2022)
  • Author(s): H. Y. Yoshikawa, C. Wu, H. Takahashi, M. Yamaji, M. Nakajima, M. Yoshimura, M, Maruyama, Y. Mori, T. Sugiyama, S. Nakabayashi
  • Organizer: 16th “International Conference on Laser Ablation”(COLA2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Vortex terahertz laser induced ablation of Ge2Sb2Te5 (2022)
  • Author(s): Y. Wang, S. Segawa, T. Shimizu, V. C. Agulto, V. K. P. Mag-usara, T. K. P. Phan, K. Kato, M. Asakawa, M. Yoshimura, M. Nakajima,
  • Organizer: 16th “International Conference on Laser Ablation”(COLA2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transmittance properties of metallic microcoil array in sub-terahertz region (2022)
  • Author(s): S. Liu, Z. Ling, V. C. Agulto, V. K. P. Mag-usara, M. Haga, M. Yoshimura, M. Nakajima
  • Organizer: the 11th "Advanced Lasers and Photon Sources Conference" (ALPS 2022),
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] テラヘルツ分光によるパワー半導体評価 (2022)
  • Author(s): 中嶋誠
  • Organizer: 東京都市大学総研セミナー研究シンポジウム・大阪大学F3D公開シンポジウム・九州工業大学高電圧シンポジウム, 次世代パワーデバイス・融合と超越
  • Invited
• [Presentation] 超薄膜磁性体ヘテロ構造におけるコヒーレント結合によるテラヘルツ放射強度の増強 (2022)
  • Author(s): 松永大陽, 中嶋誠.
  • Organizer: 2022年度レーザー学会 中国・四国支部, 関西支部連合, 若手学術交流研究会プログラム
• [Presentation] フェムト秒レーザーによるサブピコ秒シート電子パンチの発生 (2022)
  • Author(s): 唐木優河, 松原広貴, 宮嶋悠樹, 道下遼祐, 白井智大, 堀井稜介, 吉松しづき, 山口聡一朗, 浅川誠, 中嶋誠
  • Organizer: 第３１回日本赤外線学会研究発表会,
• [Presentation] 相対論的電子ビーム周りのクーロン場に関する実験的研究 (2022)
  • Author(s): 太田雅人, 菅晃一, 王有為, V. K. Mag-usara, V. C. Agulto, 有川安信, 淺川誠, 坂和洋一, 松井龍之介, 中嶋誠
  • Organizer: 第３１回日本赤外線学会研究発表会
• [Presentation] 電気光学サンプリングを用いたシングルショット電子ビーム計測 (2022)
  • Author(s): 菅晃一, 太田雅人, 駒田蒼一朗, 王有為, V. C. Agulto, V. K. Mag-usara, 有川安信, 松井龍之介, 坂和洋一, 中嶋誠
  • Organizer: 第19回日本加速器学会年会
• [Presentation] テラヘルツ時間領域分光・エリプソメトリによる光物性 (2022)
  • Author(s): 中嶋誠 , V. C. Agulto, 岩本敏志
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会,
  • Invited
• [Presentation] 多層グラフェンの広帯域吸収スペクトルにおける 層間相互作用・フェルミレベル制御効果 (2022)
  • Author(s): 池田匠吾, 菊堂裕己，水野琢央，V. C. Agulto，中嶋誠， 井ノ上泰輝，小林慶裕
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Experimental Observation of Relativistic Electron Impact Ionization of a ZnTe Crystal (2022)
  • Author(s): M. Ota , K. Kan , V. C. Agulto , V. K. Mag-usara , Y. Wang , Y. Arikawa , and M. Nakajima.
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Sm0.7Er0.3FeO3のTHz誘起スピンダイナミクスの温度依存性 (2022)
  • Author(s): 丸山慶, 章振亜, 関口文哉, 栗原貴之, 中嶋誠, 金光義彦, 廣理英
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] オルソフェライトにおける高強度テラヘルツ誘起非線形スピン運動の磁気複屈折効果による観測 (2022)
  • Author(s): 栗原貴之，馬場基彰，渡邊浩，中嶋誠，末元徹
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] オルソフェライトのスピン再配列相転移における新奇マグノン揺らぎモードの観測 (2022)
  • Author(s): 栗原貴之, 中嶋誠, M. Weiss, A. Herbst, M. Evers, J. Schlegel, A. Donges, T. Dannegger, S. T. B. Goennenwein, A. Leitenstorfer, U. Nowak.
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Remarks] 業績リスト
  • URL: http://nak.matrix.jp/study/list.html