| 研究課題/領域番号 |
23KJ0989
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| 研究種目 |
特別研究員奨励費
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 国内 |
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| 審査区分 |
小区分29010:応用物性関連
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| 研究機関 | 横浜国立大学 |
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研究代表者 |
根津 昇輝 横浜国立大学, 大学院理工学府, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-25 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
3,000千円 (直接経費: 3,000千円)
2025年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
2024年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
2023年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
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| キーワード | マグノン / マグノニクス / スピン波 / スピントロニクス / 非線形現象 / パラメトリックポンピング / 鉄単結晶 / 立方磁気異方性 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
マグノンBose-Einstein凝縮は室温で励起可能な量子現象である。マグノニクス分野では室温で動作可能な量子デバイス開発に向け、マグノン凝縮体を用いた量子ビットの研究が進行している。
本研究では、鉄単結晶薄膜とマグノニック結晶を用いて量子基底状態におけるマグノン密度の制御による室温量子デバイス応用の検討を行う。微細加工によりナノメートルスケールの鉄単結晶導波路と量子凝縮体制御機構を作製し、鉄単結晶薄膜におけるパラメトリックポンピングやマグノン凝縮体生成条件の調査、及び動的制御されたマグノン密度を観察とデバイス化に向けた評価を行う。
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| 研究実績の概要 |
鉄単結晶薄膜においてパラメトリックマグノン生成条件とマグノン量子凝縮条件を明らかにし、マグノニック量子ビットの基礎となるマグノン凝縮体制御素子の設計を検討した。また、マグノンデバイスの実用化に向け、マグノン伝送時に導波路上で発生するマグノニックノイズを解明した。
パラメトリックポンピングによるマグノン生成条件の調査は、電気測定及びマイクロ磁気シミュレーションを用いて行った。鉄単結晶薄膜を矩形型マグノン導波路へ加工し、導波路上にマグノン生成及び検出用のアンテナを設置した。バイアス磁場を鉄薄膜の磁化困難軸に沿って印加し、生成アンテナから伝搬したマグノンを検出アンテナで取得した。入力電力、励起周波数、バイアス磁場の3要素を変数として、パラメトリックポンピングの閾値特性を評価した結果、等方性物質では生じないような非従来型のパラメトリックポンピングを観測した。さらに、シミュレーションの結果より、非従来型のパラメトリックポンピングは鉄単結晶薄膜の結晶磁気異方性に起因すると明らかになった。
マグノン量子凝縮条件の調査は、マイクロ磁気シミュレーションによって解析した。鉄単結晶薄膜上でパラメトリックポンピングによって生成されたマグノンが、マグノンバンドの最低エネルギー準位へと遷移し、マグノン緩和時間の増加を観測した。これは鉄単結晶薄膜におけるマグノン量子凝縮の可能性を示唆するものである。また、マグノン凝縮体制御素子の設計も同時に行い、マグノニック結晶を用いたマグノン制御を実現した。
マグノンを用いた素子の作製にあたり理解が不可欠なマグノン伝送時のノイズであるマグノニックノイズを調査した。マグノンノイズは導波路の表面状態に起因する「1/f^αノイズ」とマグノン数の揺らぎの状態を表す「ホワイトノイズ」が支配的であると明らかになった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究課題は、立方磁気異方性を有する鉄単結晶薄膜をマグノン導波路とした室温量子デバイス応用の検討を目的とするものである。本年度、鉄単結晶上においてパラメトリックポンピングによるマグノン生成条件を解明した。パラメトリックポンピングはマグノン量子凝縮の生成手法であることから、マグノン量子現象の観測につながるものである。また、シミュレーションにおいてマグノン量子凝縮が示唆された。シミュレーションによって得られた生成条件を用い、マイクロフォーカスブリルアン散乱分光法による実験的なマグノン量子凝縮の観測に着手している。一方、マグノン凝縮体制御素子設計は完成には至っていないが、マグノニック結晶を用いたマグノン制御に成功し、溝幅などの様々なパラメータを変更したシミュレーションを試行している。成果の一部は論文として掲載された。
以上の理由より、本年度の研究進捗状況はおおむね順調に進展していると評価した。
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| 今後の研究の推進方策 |
本年度での実験及びシミュレーションによって得られた条件を用い、鉄単結晶におけるマグノン量子凝縮についての研究を進行する。従来、量子凝縮が報告されてきたイットリウム鉄ガーネットに比べて、鉄単結晶では熱安定性は高いが、マグノン凝縮体寿命が短いことがシミュレーションによって判明した。しかし、シミュレーションではマグノンが散乱しやすく、実際の寿命より短くなる。そこで、マイクロフォーカスブリルアン散乱分光装置を用いマグノン密度の時間変化から、実験的にマグノン量子凝縮の寿命を解析し、量子計算の実現可能性を検討する。また、室温で利用可能なマグノニック量子ビットとしての機能を有するマグノン凝縮体制御素子構造の設計を並行して行う。
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