円盤状強磁性薄膜を用いた高効率な光－マイクロ波変換器の創出

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22K14589
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 久富 隆佑 京都大学, 化学研究所, 助教 (80870435)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 磁気光学 / 量子光学 / マグノン / 角運動量

Outline of Annual Research Achievements

高効率な光－マイクロ波波長変換器は、全く異なる周波数（エネルギー）を持つ光子間での量子情報のやりとりを可能にする。特に、複数の希釈冷凍機内に設置されている超伝導量子ビット間を繋ぐことを可能にする重要な物理系であり、それらを用いた量子インターネットの構築が期待されている。しかし、未だその実現には至っていない。本研究では、我々がこれまで世界に先駆けて原理実証を行ってきた強磁性マグノンを用いた光－マイクロ波波長変換器の効率向上を目指し、円盤状の強磁性薄膜を創出する。

2022年度は、円盤状強磁性薄膜の作製手法の開拓を行った。まず、円盤状強磁性単結晶薄膜の作製を行った。基板は、ガーネット構造を持つ強磁性体用の基板として代表的なガドリニウムガリウムガーネット（GGG）基板を用いた。その基板上に非常に長寿命の強磁性マグノンモードを有することで知られるイットリウム鉄ガーネット（YIG）をRFマグネトロンスパッタリング装置を用いて成膜し、900 ℃で8時間アニールすることにより単結晶化させた。さらにフォトリソグラフィーとアルゴンイオンミリングによってドライエッチング加工を施し、直径約0.1 mm、厚さ約1ミクロンの円盤状YIG単結晶薄膜を作製することに成功した。
2023年度は、作製した円盤状YIG薄膜の強磁性共鳴測定による物性評価を行った。その結果、最も基本的なマグノンモードであるKittelモードの共鳴周波数・寿命・マイクロ波との結合強度の評価を行うことができた。さらに、光－マイクロ波波長変換効率の実験的評価に向け、マグノン誘起ブリルアン散乱の観測を行うための光学系の構築も行った。