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キラルスピンソリトン格子を用いたマイクロ波デバイスの機能開拓とダイナミクスの解明

研究課題

研究課題/領域番号 21J14431
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
審査区分 小区分29010:応用物性関連
研究機関大阪公立大学 (2022)
大阪府立大学 (2021)

研究代表者

島本 雄介  大阪公立大学, 大学院工学研究科, 特別研究員(PD)

研究期間 (年度) 2021-04-28 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
1,700千円 (直接経費: 1,700千円)
2022年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2021年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワードキラル磁性 / 集団運動 / 強磁性共鳴 / Beyond 5G / スピントロニクス / マグノニクス / Beyond 5G・6G / ミリ波
研究開始時の研究の概要

キラル磁性結晶に固有に発現する磁気秩序、キラルスピンソリトン格子(CSL)の高周波特性に関する研究を行う。本研究では、CSLの優れた制御性・安定性に着目し、従来よりも高機能なマイクロ波デバイスへの道筋を描く。そのために、CSL運動の物理機構の詳細を明らかにすることは重要である。CSL運動が非線形結合振動子系として振舞うという着想をもとに、CSL運動の振動モードを同定する。

研究実績の概要

本年度は、主に、キラルソリトン格子(Chiral Soliton Lattice: CSL)に特有の集団励起である「CSLフォノン」に関する研究を推進した。CSLは周期変調が可能な磁気的な超格子である。磁気超格子の並進対称性の破れに応じて、CSLフォノンモードが励起されることが期待できる。しかし、これまでに明確な実験的証拠は得られておらず、モードの存在を実証することは重要な研究課題となっていた。
遷移金属ダイカルコゲナイドCrNb3S6結晶において、CSLフォノンの応答として期待される磁気共鳴の高次モードを16 GHzから40 GHzという周波数帯で観測した。理論解析から、CrNb3S6結晶における交換相互作用の大きさを見積もった。さらに、臨界磁場が異なる結晶においてCSLフォノン測定を行い、臨界磁場の値が大きくなるにつれて反対称交換相互作用の値も大きくなることを明らかにした。これらの成果の一部は、米国物理学会Physical Review Lettersに掲載されており、基礎研究として高く評価されている。
実験に用いた装置の上限周波数は40 GHzであり本実験での検出限界を与えていたが、高次モードは100 GHzを超えて成長すると見積もることができる。元素置換したCrTa3S6結晶ではその物質パラメーターからCSLフォノンの周波数がさらに高くなり、550 GHzに到達すると予測される。つまり、CSLフォノンは、サブテラヘルツ帯域まで磁気共鳴の周波数を変調するための新たな指導原理となり、Beyond 5Gに代表されるような次世代通信システムの技術開発に貢献することが期待できる。このように、本研究成果は、キラル磁性応用の道筋を示しており、科学新聞や国内外のウェブメディアにも取り上げられている。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (15件)

すべて 2023 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (6件) 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 2件、 査読あり 2件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 3件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] Ural Federal University(ロシア連邦)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] University of Manitoba(カナダ)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] University of Manitoba(カナダ)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] Ural Federal University(ロシア連邦)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] Observation of Collective Resonance Modes in a Chiral Spin Soliton Lattice with Tunable Magnon Dispersion2022

    • 著者名/発表者名
      Shimamoto Y.、Matsushima Y.、Hasegawa T.、Kousaka Y.、Proskurin I.、Kishine J.、Ovchinnikov A. S.、Goncalves F. J. T.、Togawa Y.
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 128 号: 24 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1103/physrevlett.128.247203

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Anisotropic microwave propagation in a reconfigurable chiral spin soliton lattice2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Shimamoto, F. J. T. Goncalves, T. Sogo, Y. Kousaka, Y. Togawa
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 104 号: 17

    • DOI

      10.1103/physrevb.104.174420

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] キラル磁気超構造における集団共鳴運動2023

    • 著者名/発表者名
      島本雄介
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] キラル磁気ソリトン格子の集団共鳴運動2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Shimamoto, Y. Kousaka, Y. Togawa
    • 学会等名
      ISSP ワークショップ「カイラル物質科学の新展開」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Collective Resonant Dynamics of the Chiral Spin Soliton Lattice in a Chiral Magnetic Crystal CrNb3S62022

    • 著者名/発表者名
      Y. Shimamoto
    • 学会等名
      Topical meeting of Chirality Research Center“Spin Chirality”
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Observation of phonon modes in a chiral spin soliton lattice2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Shimamoto, Y. Matsushima, T. Hasegawa, Y. Kousaka, I. Proskurin, F. J. T. Goncalves, Y. Togawa
    • 学会等名
      VI International Workshop Dzyaloshinskii-Moriya Interaction and Exotic Spin Structures
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Detection of the Phonon-like Excitation of a Chiral Spin Soliton Lattice2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Shimamoto, Y. Matsushima, T. Hasegawa, Y. Kousaka, F. J. T. Goncalves, Y. Togawa
    • 学会等名
      Materials Research Meeting 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] キラルスピンソリトン格子の磁気共鳴2021

    • 著者名/発表者名
      島本雄介
    • 学会等名
      新学術領域研究 「量子液晶の物性科学」第3回 若手コロキウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] Beyond 5Gの実現に新たな光 キラル磁気超構造が示す集団共鳴運動の観察に成功

    • URL

      https://www.omu.ac.jp/info/research_news/entry-00903.html

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2021-05-27   更新日: 2024-03-26  

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