2021 Fiscal Year Research-status Report
Spin wave non-reciprocity in magnonic crystals
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21K13886
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
山本 慧 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究職 (10746811)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 磁性体 / スピン波 / 非線形性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究計画では磁性体を人工的に加工することでそこを伝搬するスピン波に非相反性を付与するための理論研究が目的であるが、実験との協力が重要な課題であり現状試料作成に時間がかかっている。そのため関連したスピン波制御の課題で実験的に進捗が大きいものを優先して研究を行ってきた。
令和３年度では研究協力者による検証実験において磁性絶縁体中のスピン波非線形応答に起因する新しい現象が見つかったためそちらの理論解析を行うこととなった。通常波に対しては重ね合わせの原理が成り立つが、波の振幅が大きくなるとそこからのずれが生じ、それは波の非線形性と呼ばれる。スピン波は磁気ダイナミクスが必然的に持つ非線形性と磁気双極子相互作用が生み出す特有の波の分散関係（波の周期と波長の間の関数関係）によって、波の振幅がそれほど大きくない領域でも顕著な非線形現象を示すことが知られている。今回ロンドン大学の実験グループによって、磁性体薄膜とマイクロ波共振器の共鳴モードが結合することでマグノンポラリトンと呼ばれる混成波が生じている状況で波の振幅をある程度大きくすると、この混成が阻害されスピン波とマイクロ波に分離する現象が観測された。研究代表者はこの分離現象が、スピン波の非線形が生み出すある種の不安定性に起因することを理論計算によって明らかにした。スピン波の振幅が小さい間は外から与えるエネルギーに対してスピン波とマイクロ波それぞれの振幅が１対１の関係で増加する。しかし与えるエネルギーがある閾値に達するとスピン波のみが非線形性によって不安定となりそれ以上振幅が増加できない状況が生じる。このスピン波とマイクロ波の非対称性によって混成が阻害される。この結果は論文原稿にまとめられ、現在Physical Review Lettersの査読を受けている。
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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
当初予定していた非相反性に関する研究は遅れているものの、新たに非線形性についての課題が生じてそこから新しい現象を開拓することに成功したことから、「おおむね順調に進展している。」と判断する。非線形性は非相反性と並んで現在固体物理学において分野の枠を超えて議論されているテーマであり、スピン波の非線形性はその波形制御や周波数変調などで応用上も重要な問題である。令和３年度は上述の実験結果に対して理論的解釈を与えて発表したが、他にも複数の新現象を解析している最中であり、今後の発展性も見込める良い研究対象であると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後も引き続き実験の進捗を見つつ、スピン波の非相反性に関する研究を行うのと並行して非線形現象の開拓も目指す。非相反性に関しては、材料そのものの加工だけでなく弾性波や電気分極を用いることでダイナミカルに材料の性質を変えることで生じる非相反性についても研究の対象を広げることを検討する。非線形性についは現在進行中の解析を完了させて論文発表に結びつけることを当面の目標とする。
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| Causes of Carryover |
コロナウイルス感染症の感染拡大の影響で、令和３年度に予定していた、本研究課題に係る打ち合わせ出張や学会参加が実施できなかったため、これらに係る費用が次年度使用額として生じることとなった。次年度使用額は、令和４年度分研究費と合わせて、令和３年度に実施できなかった、打ち合わせのための出張や学会参加に係る費用等として使用する。
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