Research and development of eddy current testing method using terahertz wave emission from spin current

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21H01387
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: University of Fukui
• Principal Investigator: 谷 正彦 福井大学, 遠赤外領域開発研究センター, 教授 (00346181)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 渡邊 誠 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, 分野長 (00391219)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: テラヘルツ波 / 金属スピントロニック素子 / 光伝導アンテナ素子 / 磁場プローブ

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，磁場に依存したスピン流からのテラヘルツ(THz)波放射を利用し，従来よりも飛躍的に高い空間分解能を有する渦電流探傷法を開発することを目的としている。そのために，① 金属スピントロニック素子からのTHz波放射を高効率化するとともに，②励磁コイル，スピントロニック素子，THz波検出素子を一体化した渦電流探傷プローブを開発する。また，③THz波放射信号から欠陥を判別するためのDeep Learningによるアルゴリズムと信号処理システムの開発に取り組む。
本年度は以下の研究を実施した。
(1)Fe/Ptヘテロ金属薄膜スピントロニック素子に対して，アンテナ部の金属(Pt)膜厚が100nm, 200nm, 300nmのものを試作し、比較した。その結果からFe/Ptヘテロ金属薄膜スピントロニック素子の場合において、アンテナ金属の最適な膜厚は200 nm付近にあることが分かった。
(2)アンテナ電極材としてPt(白金)よりも高い伝導率を持つAu(金)を用いて、スピントロニックアンテナ素子の製作を試みが、製作した素子からTHz波放射が観測されなかった。これはAuと下地のFeとの相性が悪いせいと考えられた。
(3)スピントロニック素子からのテラヘルツ波放射の磁場飽和特性を定量評価し、THz波放射強度の精密な磁場制御の指針が得られた。
(4)金属スピントロニック素子からのTHz波の検出には，磁場の影響を受ける電気光学結晶に代わり，光伝導アンテナ素子を検出器として用い，金属スピントロニック素子と光伝導アンテナ素子を一体化した磁場プローブを試作し、その特性を評価した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

金属スピントロニック素子と光伝導アンテナ素子を一体化した磁場プローブを試作し、その動作を実証することができたが、その感度と空間分解能が十分でない。そのため最終目標である高空間分解の磁場イメージングを実証するまでに至っていない。

Strategy for Future Research Activity

磁場プローブを改良し、磁場の高空間分解イメージングの実証を目指す。
またTHz波放射信号から欠陥を判別するためのDeep Learningによるアルゴリズムと信号処理システムの開発に取り組む。

Research Products

• [Int'l Joint Research] フィリピン大学Diiman校(フィリピン)
  • Country Name: PHILIPPINES
  • Counterpart Institution: フィリピン大学Diiman校
• [Journal Article] Terahertz emission characteristics of a metasurface-enhanced spintronic terahertz emitter (2024)
  • Author(s): Bardolaza Hannah R.、Ferrolino John Paul R.、Verona Ivan Cedrick M.、Juguilon Vince Paul P.、Dela Rosa Lourdes Nicole F.、Talara Miezel L.、Kitahara Hideaki、Somintac Armando S.、Salvador Arnel A.、Cabello Neil Irvin F.、De Los Reyes Alexander E.、Tani Masahiko、Estacio Elmer S.
  • Journal Title: Journal of Materials Science: Materials in Electronics Volume: 35 Pages: 605
  • DOI: 10.1007/s10854-024-12378-x
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spin-to-charge conversion origin in graphene on ferromagnetic substrate revealed: Rashba effects at Dirac point (2023)
  • Author(s): Escano Mary Clare, Nguyen Tien Quang, Tani Masahiko
  • Journal Title: Solid State Communications Volume: 376 Pages: 115364～115364
  • DOI: 10.1016/j.ssc.2023.115364
  • Peer Reviewed
• [Presentation] スピントロニック素子からのテラヘルツ波放射の磁場飽和特性 (2024)
  • Author(s): タララ ミゼル, 北原英明, 石井克幸, 古屋岳, Mary Clare Escano, 谷正彦, Dmitry Bulgarevich, Dongfeng He, 渡邊誠
  • Organizer: 2024年第71回応用物理学会春季学術講演会 (2024年3月22日～25日, 東京都市大学世田谷キャンパス＆オンライン)
• [Presentation] Terahertz Emission from Spintronic Nano-Structures (2023)
  • Author(s): Masahiko Tani
  • Organizer: The Third Philippines - Japan Terahertz Research Workshop (July 16 - 17, 2023, University of the Philippines Diliman, Philippines)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Accelerating Spintronic Terahertz Emitters’ Discovery by Ab-initio Calculations and AI (2023)
  • Author(s): Tien Quang Nguyen, Mary Clare Escano, Masahiko Tani
  • Organizer: The Third Philippines - Japan Terahertz Research Workshop (July 16 - 17, 2023, University of the Philippines Diliman, Philippines)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] First-principles based design of spintronic THz emitters without precious metals (2023)
  • Author(s): Clare Escano Tien Quang Nguyen, Masahiko Tani
  • Organizer: The Third Philippines - Japan Terahertz Research Workshop (July 16 - 17, 2023, University of the Philippines Diliman, Philippines)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Terahertz Wave Generation Performances of Diabolo Antennas with Different Pt Thicknesses at the Flares (2023)
  • Author(s): Miezel Talara, Dmitry S. Bulgarevich, Kana Kobayashi, Hideaki Kitahara, Takashi Furuya, Mary Clare Escano, Makoto Watanabe and Masahiko Tani
  • Organizer: The Third Philippines - Japan Terahertz Research Workshop (July 16 - 17, 2023, University of the Philippines Diliman, Philippines, Philippines)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] [110] ZnTe as a Faraday Rotator under AC and DC magnetic fields at 780-nm Optical Excitation (2023)
  • Author(s): Miezel Talara, Yusuke Imase, Dmitry S. Bulgarevich, Hideaki Kitahara, Makoto Watanabe and Masahiko Tani
  • Organizer: 41st Samahang Pisika ng Pilipinas (SPP) Physics Conference and Annual Meeting (19-22 July 2023, Del Carmen Convention Center and Bayay Numancia Siargao Island, Surigao Del Norte, Philippines)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spintronic terahertz emission from a Ni/Pt bilayer film with a spoof surface plasmonic structure (2023)
  • Author(s): HR Bardolaza, JPR Ferrolino, ICM Verona, VPL Juguilon, LNF Dela Rosa, ML Talara, H Kitahara, AS Somintac, AA Salvador, NIF Cabello, AE De Los Reyes, M Tani, and ES Estacio
  • Organizer: 41st Samahang Pisika ng Pilipinas (SPP) Physics Conference and Annual Meeting (19-22 July 2023, Del Carmen Convention Center and Bayay Numancia Siargao Island, Surigao Del Norte, Philippines)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optimization of Terahertz Emission from Spintronic Fe/Pt Hetero-Structures (2023)
  • Author(s): Masahiko Tani, Miezel Talara, Dmitry Bulgarevich, Valynn Katrine Mag-usara, Mary Clare Escano, Hideaki Kitahara, Takashi Furuya, Makoto Nakajima, and Makoto Watanabe, Garik Torosyan, Rene Beigang
  • Organizer: Conference 12683, Terahertz Emitters, Receivers, and Applications XIV, SPIE Optics + Photonics (20 - 24 August 2023, San Diego Convention Center, San Diego, California, United States)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Enhancement of Terahertz Spintronic Emission by Antenna Structures (2023)
  • Author(s): Masahiko Tani
  • Organizer: The 8th Academic Conference on Natural Science for Young Scientists, Master and PhD Students from ASEAN Countries (CASEAN-8) (27-30 August 2023, Vinh University, Vinh City, Vietnam)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] THz research activities at Research Center for Development of Far-Infrared Region, University of Fukui (2023)
  • Author(s): Masahiko Tani
  • Organizer: Vietnam- Philippines -Japan Terahertz Research Symposium (29 August 2023, Vinh University, Vinh City, Vietnam)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Improvement In The Detection Efficiency Of Terahertz (THz) Time-domain Spectroscopy (TDS) By Applying An Alternating Magnetic Field Bias In Spintronic Emitter (2023)
  • Author(s): Hideaki Kitahara, Katsuyuki Ishii, Miezel Talara, Takashi Furuya, Mary Escano, Masahiko Tani, Dmitry Bulgarevich, Dongfeng He, Makoto Watanabe
  • Organizer: 48th Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2023, 17 -22 September 2023, Montreal, Quebec, Canada)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Impact Of Antenna Metal’s Thicknesses And Structures On Terahertz (THz) Wave Generation Performance Of Spintronic Emitters (2023)
  • Author(s): Miezel Talara, Dmitry Bulgarevich, Kana Kobayashi, Hideaki Kitahara, Takashi Furuya, Mary Clare Escano, Makoto Watanabe, Masahiko Tani
  • Organizer: 48th Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2023, 17 -22 September 2023, Montreal, Quebec, Canada)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Efficient Spintronic THz Emitter with Antenna Structures (2023)
  • Author(s): Masahiko Tani, Miezel Talara, Dmitry Bulgarevich, Valynn Katrine Mag-usara, Mary Clare Escano, Hideaki Kitahara, Takashi Furuya, Makoto Nakajima, and Makoto Watanabe, Garik Torosyan, Rene Beigang
  • Organizer: Optics & Photonics Taiwan International Conference 2023 (OPTIC 2023) (1-3 December 2023, National Cheng Kung University, Tainan, Taiwan)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 金属スピントロニックアンテナ素子におけるスピントロニック電流の直接検出とその磁場検出への応用 (2023)
  • Author(s): 馬場本祥太, 谷正彦, 北原英明
  • Organizer: 2024年福井セミナー(2023年8月9日～11日，福井大学・文京キャンパス・遠赤外領域開発研究センター)
• [Presentation] 金属スピントロニック素子と PCA を用いた Magneto-Optical Imaging モジュールの特性評価について (2023)
  • Author(s): 高市誠和，谷正彦，北原英明
  • Organizer: 2024年福井セミナー (2023年8月9日～11日，福井大学・文京キャンパス・遠赤外領域開発研究センター）
• [Presentation] アンテナ構造による金属スピントロニック素子からのテラヘルツ波放射効率の増強 (2023)
  • Author(s): 小林可奈, Miezel Talara, 谷正彦
  • Organizer: 023年福井セミナー (2023年8月9日～11日，福井大学・文京キャンパス・遠赤外領域開発研究センター）
• [Presentation] 磁場変調による Fe/Pt スピントロニック2重膜からのテラヘルツ波放射測定 (2023)
  • Author(s): 石井克幸, Miezel Talara, Mary Clare Escano, Joel Tacla Asubar, 道幸雄真, 橋本明弘, 北原英明, Tien Quang Nguyen, 谷正彦
  • Organizer: 2023年福井セミナー (2023年8月9日～11日，福井大学・文京キャンパス・遠赤外領域開発研究センター）
• [Presentation] 金属スピントロニックアンテナ素子におけるスピントロニック電流の直接検出とその磁場検出への応用 (2023)
  • Author(s): 馬場本祥太, 高市誠和, 石井克幸, 小林可奈, 谷正彦, 北原英明, Talara Miezel, Dmitry Bulgarevich, 渡邊誠
  • Organizer: 2023年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会（福井大学文京キャンパス 工学部，2023年12月2日）
• [Presentation] Fe/Ptスピントロニック素子からのテラヘルツ波放射効率改善 (2023)
  • Author(s): 谷正彦, Miezel Talara, 北原英明, Dmitry Bulgarevich, Valynn Katrine Mag-usara, Mary Clare Escano, 古屋岳, 中嶋誠, 渡邊誠
  • Organizer: シンポジウム「テラヘルツ科学の最先端Ｘ」（2023年12月20日～21日，東北大学片平キャンパス 電気通信研究所ナノ・スピン総合研究棟）
  • Invited