Active phase-control spin wave logic computation elements with nonlinear phase shift

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K20535
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
• Research Institution: Tohoku University (2023); Toyohashi University of Technology (2020-2021)
• Principal Investigator: Inoue Mitsuteru 東北大学, 電気通信研究所, 客員教授 (90159997)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 後藤 太一 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (00721507)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2024-03-31
• Keywords: スピン波 / 非線形 / マグノニクス / マグノニック結晶 / 二次元マグノニック結晶 / ロジック / 人工磁気格子

Outline of Final Research Achievements

We utilized single-crystalline yttrium iron garnet (YIG) films to experimentally and computationally validate a method for realizing multiple spin wave logic operations using nonlinear phase shifts of spin waves. We demonstrated that basic logic operations such as AND, OR, and EXOR can be performed by actively controlling the phase interference of spin waves through nonlinear phase shifts. Furthermore, by utilizing the phase interference of spin waves, we also fabricated a two-dimensional magnonic crystal that allows for the flexible control of spin wave propagation directions. These results illustrate practical devices and principles useful for the realization of integrated spin wave circuits.

Free Research Field

磁気工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

電子回路の集積度が限界に近づきつつあることを背景に、スピン波を使った集積回路に期待が集まっている。一方で、電子回路を完全に代替できるような機能は実現されていない現状にある。本研究は、このような状況を打開するべく、これまであまり使用されてこなかった非線形応答をスピン波ロジック回路の素子に適用した場合の検討を実験と計算の両面から進めたものである。本研究によって、非線形位相シフトの位相干渉ロジック素子への適用例が示され、さらに、スピン波位相干渉を利用した二次元マグノニック結晶も実証されたことから、今後、この知見を利用したデバイス開発が進展すると期待される。