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磁化状態トモグラフィ法による非線形マグノニクスの開拓とマグノンノイズ圧搾

研究課題

研究課題/領域番号 22K14584
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分29010:応用物性関連
研究機関東京大学 (2023)
東北大学 (2022)

研究代表者

日置 友智  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (10898042)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2024年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2023年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円)
2022年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)
キーワードマグノン / 磁化 / ゆらぎ / スピン / スピン流 / スクイーズド / トモグラフィ / 非線形 / パラメトリック発振 / ノイズ / スピントロニクス / スクイージング
研究開始時の研究の概要

本研究は、磁化の歳差運動が波として伝搬するスピン波とその素励起のマグノンのノイズ分布を制御し、新たなスピントロニクス機能を実験的に創出することを目的とする。
従来のスピントロニクスではマグノンの平均的なダイナミクスを主として取り扱ってきた。このため、マグノンのノイズ分布を制御する基礎物理と技術が待ち望まれていた。本研究では、独自の磁化状態測定手法によりマグノンのノイズ分布を制御・観測して圧搾されたノイズを持つマグノン状態の実現を目指す。マグノンゆらぎの測定が可能な磁化状態トモグラフィ法と非線形発振現象を組みわせることで、新たなスピントロニクス機能を創出することが期待される。

研究実績の概要

本研究課題では磁性体中の磁化ダイナミクスを非線形相互作用を通じて制御する事で、磁化秩序の素励起であるマグノンの異常な物理状態である、スクイーズド状態を生成することを目指す。本年度は、マイクロ波印加による磁化状態制御について、ジョンソンナイキストノイズ程度のマグノン揺らぎを測定可能とする電気測定系の構築を行い、マグノンスクイーズド状態の観測のための測定環境を整えた。試験的実験として、磁化ダイナミクスを非線形に励起する過程の一つである非縮退パラメトリック励起を実現した。パラメトリック励起は磁化歳差運動の共鳴振動数を周期的に変調することで自発的な発振が生じる現象であり、通常は共鳴振動数の二倍の周波数の外場を加えることで、共鳴振動数の振動が生じる(縮退パラメトリック励起)。一方で、共鳴条件からずらした周波数の外場を加えた際には、二つの周波数成分が励起され、その二つの周波数の和が外場の周波数となるような非縮退パラメトリック励起が生じる。この時、もともと外場を担う一つの素励起が、二つの異なる素励起に分離する過程であるために、二つの周波数成分の間には相関が形成されることが期待され、このプロセスは実際に光で量子エンタングルメントを生成する素過程と同じになっている。本年度は、非縮退パラメトリック励起を磁性体素子中で実行することができることを示し、実際に局在した表面スピン波が励起されることを確認した。また、マグノンの寿命を従来の50倍程度に伸ばす非線形散乱過程を明らかにし、Nature Materials誌に投稿・出版された。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

当初の計画で目指していたマグノンスクイーズド状態の生成は熱揺らぎに対しては一定程度既に実現している。更にこれに加えて、非縮退パラメトリック励起が実現できたことで、マグノン間に非自明な相関を形成することが可能となるはずであり、既に同類の非線形過程を用いたマグノン寿命の延伸など全く当初期待されていなかった重要な成果が得られていることから当初の計画以上に進展していると判断する。

今後の研究の推進方策

来年度は非縮退パラメトリック励起過程で生成された二つの周波数の異なるマグノン同士にどのような相関が形成されているかを詳細に検討する。実験的には、二つの周波数に対する同時のホモダイン検波が行えればよいはずである。縮退過程と異なり、マグノンの周波数が固定されない条件でのホモダイン検波になるため技術的な困難があるが、非線形の引き込み減少などを用いることによりこの課題を解決することを狙う。

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (25件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (9件) (うち国際共著 2件、 査読あり 9件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 10件、 招待講演 11件)

  • [雑誌論文] Persistent magnetic coherence in magnets2024

    • 著者名/発表者名
      T. Makiuchi, T. Hioki, H. Shimizu, K. Hoshi, M. Elyasi, K. Yamamoto, N. Yokoi, A. A. Serga, B. Hillebrands, G. E. W. Bauer & E. Saitoh
    • 雑誌名

      Nature Materials

      巻: 23 号: 5 ページ: 627-632

    • DOI

      10.1038/s41563-024-01798-z

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Switching of magnon parametric oscillation by magnetic field direction2023

    • 著者名/発表者名
      Horibe Sohei、Shimizu Hiroki、Hoshi Koujiro、Makiuchi Takahiko、Hioki Tomosato、Saitoh Eiji
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 16 号: 7 ページ: 073001-073001

    • DOI

      10.35848/1882-0786/acdfb8

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Magnetic Hysteresis Induction with Nanocolumnar Defects in Magnetic Insulators2023

    • 著者名/発表者名
      Harii Kazuya、Umeda Maki、Arisawa Hiroki、Hioki Tomosato、Sato Nana、Okayasu Satoru、Ieda Jun’ichi
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 92 号: 7 ページ: 073701-073701

    • DOI

      10.7566/jpsj.92.073701

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Electrical detection of parallel parametric amplification and attenuation in a Y3Fe5O12/Pt bilayer disk2023

    • 著者名/発表者名
      Emdi Geil、Hioki Tomosato、Hoshi Koujiro、Saitoh Eiji
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 108 号: 14

    • DOI

      10.1103/physrevb.108.l140410

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Coherent oscillation between phonons and magnons2022

    • 著者名/発表者名
      Hioki Tomosato、Hashimoto Yusuke、Saitoh Eiji
    • 雑誌名

      Communications Physics

      巻: 5 号: 1 ページ: 115-115

    • DOI

      10.1038/s42005-022-00888-1

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Real-space observation of standing spin-wave modes in a magnetic disk2022

    • 著者名/発表者名
      Hioki Tomosato、Araki Tomonao、Umemura Kosuke、Hoshi Koujiro、Saitoh Eiji
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 121 号: 13 ページ: 132402-132402

    • DOI

      10.1063/5.0098772

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Composition-tunable magnon-polaron anomalies in spin Seebeck effects in epitaxial BixY3-xFe5O12 films2022

    • 著者名/発表者名
      Kikkawa Takashi、Oyanagi Koichi、Hioki Tomosato、Ishida Masahiko、Qiu Zhiyong、Ramos Rafael、Hashimoto Yusuke、Saitoh Eiji
    • 雑誌名

      Physical Review Materials

      巻: 6 号: 10 ページ: 104402-104402

    • DOI

      10.1103/physrevmaterials.6.104402

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Spin motive force induced by parametric excitation2022

    • 著者名/発表者名
      Hoshi Koujiro、Hioki Tomosato、Saitoh Eiji
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 121 号: 21 ページ: 212404-212404

    • DOI

      10.1063/5.0129466

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Stochastic dynamics of a metal magnon parametron2022

    • 著者名/発表者名
      Hioki Tomosato、Saitoh Eiji
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 132 号: 20 ページ: 203901-203901

    • DOI

      10.1063/5.0123221

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Observation of coherent oscillation between magnons and phonons2024

    • 著者名/発表者名
      Tomosato Hioki
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Magnon state tomography and fluctuation of magnetization dynamics2023

    • 著者名/発表者名
      Tomosato Hioki, Eiji Saitoh
    • 学会等名
      Spin CaloritronicsXII
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Coherent dynamics of hybridized magnons and phonons2023

    • 著者名/発表者名
      Tomosato Hioki
    • 学会等名
      REIMEI-GIMAT workshop
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Exploration of spin and lattice order excitation by ultrafast imaging2023

    • 著者名/発表者名
      Tomosato Hioki
    • 学会等名
      令和5年度 化学系学協会東北大会及び 日本化学会東北支部80周年記念国際会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] High throughput magneto-optical imaging and unconventional spin-wave dynamics2023

    • 著者名/発表者名
      Tomosato Hioki
    • 学会等名
      第47回日本磁気学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Magnon parametron: a magnonic device with unconventional fluctuation2023

    • 著者名/発表者名
      Tomosato Hioki
    • 学会等名
      GP-Spin student session in The 7th Symposium for the Core Research Clusters for Materials Science
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Magnon state tomography and magnon noise control by nonlinearity2023

    • 著者名/発表者名
      Tomosato Hioki
    • 学会等名
      Magnonics2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] State tomography for magnetization dynamics and coherence anomaly in Y3Fe5O122023

    • 著者名/発表者名
      Tomosato Hioki, Takahiko Makiuchi, Hiroki Shimizu, Koujiro Hoshi, Mehrdad Elyasi, Kei Yamamoto,Naoto Yokoi, Gerrit E. W. Bauer, and Eiji Saitoh
    • 学会等名
      Intermag2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Real space observation of microwave excited spin wave modes in a magnetic disk2023

    • 著者名/発表者名
      Tomosato Hioki
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 磁性体パラメトロンにおける位相状態フリップ時間の系統評価2023

    • 著者名/発表者名
      日置友智
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Time resolved state tomography for persistent coherence in Y3Fe5O122022

    • 著者名/発表者名
      日置友智
    • 学会等名
      2022年第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 強磁性体のパラメトリック励起によるマグノン熱スクイーズド状態の観測2022

    • 著者名/発表者名
      日置友智
    • 学会等名
      日本物理学会 2022年秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Exploration of various magnon states using magnetization state tomography2022

    • 著者名/発表者名
      Tomosato Hioki
    • 学会等名
      2022年新世代研究所第2回研究会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Coherent oscillation between phonons and magnons2022

    • 著者名/発表者名
      Tomosato Hioki
    • 学会等名
      2022年新世代研究所第3回研究会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Observation of persistent coherence in Y3Fe5O122022

    • 著者名/発表者名
      Tomosato Hioki
    • 学会等名
      Spin Cavitronics IV
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Exploration of various magnon states using magnetization state tomography2022

    • 著者名/発表者名
      Tomosato Hioki
    • 学会等名
      International Center for Quantum Materials, PKU online seminar
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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