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2023 Fiscal Year Research-status Report

Spin wave non-reciprocity in magnonic crystals

Research Project

Project/Area Number 21K13886
Research InstitutionJapan Atomic Energy Agency

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, 副主任研究員 (10746811)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2025-03-31
Keywords磁性体 / スピン波 / 非線形 / 表面弾性波
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。このような観点から、今年度は厚電基板上を伝搬する表面音波が磁性体の三角格子構造においてスピン波と結合した際に非相反性を生じる現象について研究を行なった。三角格子が空間反転対称性を破ることによって生じるブリルアンゾーン中にある2つの角の非等価性に着目し、これら2つのバレー自由度が表面音波の右回りと左回りの波面を持った軌道角運動量状態に対応することを理論計算によって明らかにした。このようにしてデザインされた格子を理化学研究所の実験グループが作成し、実際に表面音波の透過率に非相反性が生じることを確認した。この結果をまとめた論文がPhysical Revie Lettersに掲載された。
関連して、表面音波によってvdW反強磁性体であるCrCl3における反強磁性スピン波共鳴を引き起こした実験データの理論解析を行い、共鳴吸収の磁場角度依存性からCrCl3の磁気異方性が正確に決定できることを発見した。この成果もPhysical Review Lettersに掲載された。
また昨年度から継続して行なっている、スピン波の非線形効果によって一様強磁性共鳴のコヒーレンス時間を1桁以上延長する研究を完成させ、実験結果はNature Materialsに発表され、理論論文はPhysical Review Bに掲載予定である。これらの成果について国際学会Magninicsにおいてチュートリアル講演を行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

当初計画のスピン波マグノニック結晶そのものとは異なる形で、人工周期加工による非相反性の実現という研究目標を表面音波において達成できた。また反強磁性体のスピン波に関する研究にも発展しつつあり、今後反強磁性体にも人工周期構造を取り入れる研究を行なっていくことを検討している。また昨年度から新たに生じた方向性であるスピン波の非線形性についても順調に成果を積み上げることができており、発振や高次高調波発生などより多様な非線形現象を開拓していく予定である。

Strategy for Future Research Activity

令和6年度は、主にスピン波の非相反性を平面波ではなく軸対称性を持つような磁性体ディスク上の磁気励起に拡張していくことを計画している。この目的のためにフランスグルノーブルのSpintecに所属するOlivier Klein博士と協力して、理論・実験両面で研究を開始している。特に波面が左右に回転するスピン波の間の非相反性について理論的定式化を行い論文発表を行う予定である。年度内に3ヶ月程度のまとまった研究滞在を行い、実験装置のデザインやシミュレーションを現地で行う。これと並行して、スピン波の非線形性について、自励発振の磁気抵抗効果による測定や磁性体薄膜ヘテロ構造におけるスピン波2次高調波発生などの新現象を開拓していく。

Causes of Carryover

当初はスピン波伝搬の数値シミュレーションを行うための計算機購入を検討していたが、研究の進捗に伴い解析的な表式によって十分に実験結果を説明できることが明らかになった。より定量性を求めて当該数値計算に進むよりは、研究期間中に新たに生じたテーマである回転する波面を持つスピン波における非相反性の研究推進のためにフランスグルノーブルのSpintecを訪問するために予算を使用する方がより効果的であると判断した。令和5年度は当該出張を行うタイミングがなかったために次年度使用額が生じた。令和6年度に国外出張を行うことで残額を使用する。

  • Research Products

    (17 results)

All 2024 2023 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 5 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 8 results) Remarks (2 results)

  • [Int'l Joint Research] University College London(英国)

    • Country Name
      UNITED KINGDOM
    • Counterpart Institution
      University College London
  • [Int'l Joint Research] TU Kaiserslautern(ドイツ)

    • Country Name
      GERMANY
    • Counterpart Institution
      TU Kaiserslautern
  • [Journal Article] Persistent magnetic coherence in magnets2024

    • Author(s)
      Makiuchi T.、Hioki T.、Shimizu H.、Hoshi K.、Elyasi M.、Yamamoto K.、Yokoi N.、Serga A. A.、Hillebrands B.、Bauer G. E. W.、Saitoh E.
    • Journal Title

      Nature Materials

      Volume: n/a Pages: n/a

    • DOI

      10.1038/s41563-024-01798-z

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Magnon-magnon coupling in synthetic ferrimagnets2023

    • Author(s)
      Sud A.、Yamamoto K.、Suzuki K. Z.、Mizukami S.、Kurebayashi H.
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 108 Pages: 104407

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.108.104407

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Valley-Selective Phonon-Magnon Scattering in Magnetoelastic Superlattices2023

    • Author(s)
      Liao Liyang、Puebla Jorge、Yamamoto Kei、Kim Junyeon、Maekawa Sadamichi、Hwang Yunyoung、Ba You、Otani Yoshichika
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 131 Pages: 176701

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.131.176701

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Acoustically Driven Magnon-Phonon Coupling in a Layered Antiferromagnet2023

    • Author(s)
      Lyons Thomas P.、Puebla Jorge、Yamamoto Kei、Deacon Russell S.、Hwang Yunyoung、Ishibashi Koji、Maekawa Sadamichi、Otani Yoshichika
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 131 Pages: 196701

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.131.196701

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Magnetostatic Field Induced by Mechanical Deformations2023

    • Author(s)
      Yamamoto Kei、Maekawa Sadamichi
    • Journal Title

      Annalen der Physik

      Volume: n/a Pages: n/a

    • DOI

      10.1002/andp.202300395

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Magnetostatic field induced by mechanical deformations2024

    • Author(s)
      Kei Yamamoto
    • Organizer
      AIMR Mini Workshop on (Quantum) Magnonics
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Orbital angular momentum of azimuthal spin waves2024

    • Author(s)
      Kei Yamamoto
    • Organizer
      Iwate Spintronics School, 2024 Winter
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Surface acoustic wave rotations2024

    • Author(s)
      Kei Yamamoto
    • Organizer
      German-Japanese Workshopー日独ワークショップー
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 並進対称性を仮定しないカイラルフェルミオンの特徴付け2024

    • Author(s)
      山本 慧
    • Organizer
      日本物理学会2024年春季大会共催シンポジウム「トポロジカル材料科学と革新的機能創出」
    • Invited
  • [Presentation] Phenomenological description of surface acoustic waves hybridized with spin waves2023

    • Author(s)
      Kei Yamamoto
    • Organizer
      Samarkand International Symposium on Magnetism
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Suhl instability in spintronics2023

    • Author(s)
      Kei Yamamoto
    • Organizer
      Magnonics 2023
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Suhl instability in spintronics2023

    • Author(s)
      Kei Yamamoto
    • Organizer
      Asia-Pacific Workshop on Strongly Correlated Systems 2023
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Topological materials without Brillouin zone2023

    • Author(s)
      山本 慧
    • Organizer
      Cosmology and Gravity at Kobe 2023
    • Invited
  • [Remarks] 隠された磁気を超音波で診断 -高速磁気メモリ開発に向けた材料研究の新手法-

    • URL

      https://www.jaea.go.jp/02/press2023/p23110901/

  • [Remarks] 磁石によるうろこ模様で回る音波を制御 -人工格子デザインで「左回り」「右回り」の読み出しに成功-

    • URL

      https://www.jaea.go.jp/02/press2023/p23102601/

URL: 

Published: 2024-12-25  

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