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2014 Fiscal Year Research-status Report

量子マグノニクスの創生

Research Project

Project/Area Number 26600071
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

中村 泰信  東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (90524083)

Project Period (FY) 2014-04-01 – 2016-03-31
Keywords強磁性体 / マグノン / 強磁性共鳴 / ガーネット
Outline of Annual Research Achievements

巨視的な自由度としての強磁性体中の集団スピン励起の量子であるマグノンの量子状態を自在に制御する「量子マグノニクス」を提案し,その実現を目指している.強磁性絶縁体イットリウム鉄ガーネット(YIG)単結晶球を用いた実験を行い,当該年度に以下の成果を挙げた.
1. 強磁性絶縁体YIG単結晶球中の強磁性共鳴モードと,マイクロ波共振器モードのコヒーレントな結合を単一マグノン・単一マイクロ波レベルの量子極限において実現した.さらにマイクロ波共振器モードを媒介とした,超伝導量子ビット回路との強磁性体中のマグノンのコヒーレントな相互作用を,周波数領域における真空ラビ分裂として観測した.
2. 極低温領域(10 mK ~ 4 K)における強磁性マグノンモードの振る舞いを観測した.1 K以下の温度領域において,マグノン線幅に従来知られていなかった特異な温度依存性を見出した.
3. 通信波長(1.5ミクロン)帯のレーザー光と強磁性マグノンの相互作用を調べ,マグノン励起のファラデー効果による観測および誘導ブリルアン散乱によるマグノン励起の生成に成功した.
巨視的なサイズの強磁性体中のマグノンを1量子レベルで制御する試みは世界初であり,量子情報科学への応用が期待される.また現在盛んに研究されているスピントロニクスの量子極限に相当する成果であり,新たな知見を得ることが期待される.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

巨視的な自由度としての強磁性体中の集団スピン励起の量子であるマグノンの量子状態を自在に制御する「量子マグノニクス」を提案し,その実現を目指している.当該年度に以下の点を達成した.
1. 強磁性絶縁体YIG単結晶球中の強磁性共鳴モードと,マイクロ波共振器モードのコヒーレントな結合を単一マグノン・単一マイクロ波レベルの量子極限において実現し,論文を出版した.さらにマイクロ波共振器モードを媒介とした,超伝導量子ビット回路との強磁性体中のマグノンのコヒーレントな相互作用を,周波数領域における真空ラビ分裂として観測した.
2. 極低温領域(10 mK ~ 4 K)における強磁性マグノンモードの振る舞いを観測した.1 K以下の温度領域において,マグノン線幅に従来知られていなかった特異な温度依存性を見出した.
3. 通信波長(1.5ミクロン)帯のレーザー光と強磁性マグノンの相互作用を調べ,マグノン励起のファラデー効果による観測および誘導ブリルアン散乱によるマグノン励起の生成に成功した.
以上の点から,当初計画以上に進展していると評価する.

Strategy for Future Research Activity

高純度原料を用いてフローティングゾーン法で成長したYIG単結晶や,新たにPbフリーのフラックス法で成長予定のYIG単結晶を用いて,極低温下での強磁性共鳴実験を行い,マグノンのコヒーレンスの改善を図る.それぞれについてマグノン線幅の温度依存性や周波数・パワー依存性を調べて,緩和機構に関する情報を得る.
YIG単結晶中のマグノン励起と超伝導量子ビットの間のコヒーレントな相互作用を時間領域における実験を通じて制御し,マグノンの量子状態の制御と観測を実現する.
YIG単結晶中のマグノン励起と光の相互作用についてファラデー回転やマグノンブリルアン散乱の定量的な評価を行う.

Causes of Carryover

フローティングゾーン法による単結晶試料の育成に時間がかかり,年度末に予定していた球状試料研磨の発注が遅れたため.

Expenditure Plan for Carryover Budget

試料が完成したので,近日中に発注予定.

  • Research Products

    (22 results)

All 2015 2014

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (21 results) (of which Invited: 8 results)

  • [Journal Article] Hybridizing ferromagnetic magnons and microwave photons in the quantum limit2014

    • Author(s)
      Y. Tabuchi, S. Ishino, T. Ishikawa, R. Yamazaki, K. Usami, and Y. Nakamura
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 113 Pages: 083603-1-5

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.113.083603

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] 強磁性体中のスピンラマン効果を利用した光によるマイクロ波生成2015

    • Author(s)
      久富隆佑, 長田有登, 石野誠一郎, 野口篤史, 田渕豊, 石川豊史, 山崎歴舟, 宇佐見康二, 中村泰信
    • Organizer
      日本物理学会第70回年次大会
    • Place of Presentation
      早稲田大,新宿区,東京
    • Year and Date
      2015-03-24 – 2015-03-24
  • [Presentation] 強磁性体球形光共振器を用いた磁気光学効果の観測2015

    • Author(s)
      長田有登, 久富隆佑, 野口篤史, 田渕豊, 山崎歴舟, M. Sadgrove, R. Yalla, 野村政宏, 宇佐見康二, 中村泰信
    • Organizer
      日本物理学会第70回年次大会
    • Place of Presentation
      早稲田大,新宿区,東京
    • Year and Date
      2015-03-24 – 2015-03-24
  • [Presentation] 固体の素励起を介したマイクロ波‐光量子変換2015

    • Author(s)
      宇佐見康二
    • Organizer
      日本物理学会第70回年次大会
    • Place of Presentation
      早稲田大,新宿区,東京
    • Year and Date
      2015-03-22 – 2015-03-22
    • Invited
  • [Presentation] 量子情報通信のための光インターフェイス2015

    • Author(s)
      宇佐見康二
    • Organizer
      精密工学会2015年度春季大会
    • Place of Presentation
      東洋大,文京区,東京
    • Year and Date
      2015-03-17 – 2015-03-17
    • Invited
  • [Presentation] Coherent coupling between ferromagnetic magnon and superconducting qubit2015

    • Author(s)
      Y. Tabuchi, S. Ishino, A. Noguchi, T. Ishikawa, R. Yamazaki, K. Usami, and Y. Nakamura
    • Organizer
      APS March Meeting
    • Place of Presentation
      San Antonio, Texas, USA
    • Year and Date
      2015-03-03 – 2015-03-03
  • [Presentation] Quantum magnonics: coherent coupling between ferromagnetic magnon and superconducting qubit2014

    • Author(s)
      Y. Nakamura
    • Organizer
      ENS-UTokyo Workshop
    • Place of Presentation
      Paris, France
    • Year and Date
      2014-12-08 – 2014-12-08
    • Invited
  • [Presentation] Toward quantum magnonics: hybridizing magnon mode in ferromagnet with superconducting qubit2014

    • Author(s)
      Y. Nakamura
    • Organizer
      Fujihara seminar: Real-time dynamics of physical phenomena and manipulation by external fields
    • Place of Presentation
      グランドホテルニュー王子,苫小牧,北海道
    • Year and Date
      2014-09-27 – 2014-09-27
    • Invited
  • [Presentation] Quantum-state control of a ferromagnetic magnon mode coupled to a superconducting qubit2014

    • Author(s)
      S. Ishino, Y. Tabuchi, T. Ishikawa, A. Noguchi, R. Yamazaki, K. Usami, and Y. Nakamura
    • Organizer
      Coherent Quantum Dynamics (CQD 2014): Okinawa School in Physics: Coherent Quantum Dynamics
    • Place of Presentation
      OIST,恩納,沖縄
    • Year and Date
      2014-09-16 – 2014-09-25
  • [Presentation] Quantum control of magnons in a ferromagnetic crystal2014

    • Author(s)
      Y. Nakamura
    • Organizer
      第4回半導体量子効果と量子情報の夏期研修会
    • Place of Presentation
      那須サンバレーホテル,那須,栃木
    • Year and Date
      2014-09-13 – 2014-09-13
  • [Presentation] Toward cavity cooling of ferromagnetic magnons2014

    • Author(s)
      A. Osada, R. Hisatomi, A. Noguchi, Y. Tabuchi, R. Yamazaki, K. Usami, and Y. Nakamura
    • Organizer
      第4回半導体量子効果と量子情報の夏期研修会
    • Place of Presentation
      那須サンバレーホテル,那須,栃木
    • Year and Date
      2014-09-11 – 2014-09-13
  • [Presentation] 空洞共振器を介した強磁性マグノンと超伝導量子ビットの強結合2014

    • Author(s)
      石野誠一郎,田渕豊,石川豊史,山崎歴舟,宇佐見康二,中村泰信
    • Organizer
      日本物理学会2014年秋季大会
    • Place of Presentation
      中部大学,春日井,愛知
    • Year and Date
      2014-09-10 – 2014-09-10
  • [Presentation] 空洞共振器を介した強磁性マグノンと超伝導量子ビットの可変結合2014

    • Author(s)
      田渕豊,石野誠一郎,石川豊史,野口篤史,山崎歴舟,宇佐見康二,中村泰信
    • Organizer
      日本物理学会2014年秋季大会
    • Place of Presentation
      中部大学,春日井,愛知
    • Year and Date
      2014-09-10 – 2014-09-10
  • [Presentation] 強磁性マグノンを用いた光-マイクロ波変換2014

    • Author(s)
      久富隆佑,宇佐見康二,長田有登,石野誠一郎,田渕豊,山崎歴舟,野口篤史,石川豊史,中村泰信
    • Organizer
      日本物理学会2014年秋季大会
    • Place of Presentation
      中部大学,春日井,愛知
    • Year and Date
      2014-09-10 – 2014-09-10
  • [Presentation] Strong coupling of a magnetostatic mode in yttrium iron garnet to a microwave resonator2014

    • Author(s)
      Y. Tabuchi, S. Ishino, T. Ishikawa, R. Yamazaki, K. Usami, and Y. Nakamura
    • Organizer
      Mini-colloquium on Mesoscopic superconductivity and quantum circuits, Condensed Matter in Paris 2014
    • Place of Presentation
      Paris, France
    • Year and Date
      2014-08-26 – 2014-08-26
  • [Presentation] Coherent coupling between ferromagnetic magnon and superconducting qubit2014

    • Author(s)
      Y. Tabuchi
    • Organizer
      The 2nd school and conference on Spin-based quantum information processing
    • Place of Presentation
      Konstanz, Germany
    • Year and Date
      2014-08-21 – 2014-08-21
    • Invited
  • [Presentation] Toward the cavity cooling of ferromagnetic magnons2014

    • Author(s)
      長田有登,久富隆佑,野口篤史,田渕豊,山崎歴舟,宇佐見康二,中村泰信
    • Organizer
      基礎物理研究所研究会 若手のための量子情報セミナー
    • Place of Presentation
      京都大学,京都,京都
    • Year and Date
      2014-08-08 – 2014-08-10
  • [Presentation] 超伝導量子ビットを用いたフェロ磁性体マグノンモードの量子状態制御2014

    • Author(s)
      石野誠一郎,田渕豊,石川豊史,野口篤史,山崎歴舟,宇佐見康二,中村泰信
    • Organizer
      基礎物理研究所研究会 若手のための量子情報セミナー
    • Place of Presentation
      京都大学,京都,京都
    • Year and Date
      2014-08-08 – 2014-08-10
  • [Presentation] Quantum control of magnon modes in ferromagnet2014

    • Author(s)
      Y. Nakamura
    • Organizer
      Principles & Applications of Control to Quantum Systems (PRACQSYS 2014)
    • Place of Presentation
      Cambridge, UK
    • Year and Date
      2014-08-06 – 2014-08-06
    • Invited
  • [Presentation] Toward quantum magnonics: hybridizing magnon mode in ferromagnet with superconducting qubit2014

    • Author(s)
      Y. Nakamura
    • Organizer
      Spin Mechanics 2
    • Place of Presentation
      東北大学,仙台,宮城
    • Year and Date
      2014-06-22 – 2014-06-22
    • Invited
  • [Presentation] Quantum-state control of a ferromagnetic magnon mode coupled to a superconducting qubit2014

    • Author(s)
      S. Ishino, Y. Tabuchi, T. Ishikawa, R. Yamazaki, K. Usami, and Y. Nakamura
    • Organizer
      Spin Mechanics 2
    • Place of Presentation
      東北大学,仙台,宮城
    • Year and Date
      2014-06-21 – 2014-06-24
  • [Presentation] 量子マグノニクス―強磁性マグノンモードの量子状態制御に向けて2014

    • Author(s)
      中村泰信
    • Organizer
      第1回電気学会フォト・マグノニクス技術調査専門委員会
    • Place of Presentation
      日本大学, 船橋,千葉
    • Year and Date
      2014-05-14 – 2014-05-14
    • Invited

URL: 

Published: 2016-05-27  

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