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2017 年度 実施状況報告書

複合物理計算を用いた電磁波によるスピン波制御の解明と次世代省電力素子の創生

研究課題

研究課題/領域番号 17K06401
研究機関日本大学

研究代表者

大貫 進一郎  日本大学, 理工学部, 教授 (80386002)

研究分担者 山口 隆志  地方独立行政法人東京都立産業技術研究センター, 開発本部開発第三部生活技術開発セクター, 副主任研究員 (30560130)
研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2020-03-31
キーワード複合物理解析 / 時間応答解析 / 有限差分法 / マックスウェル方程式 / LLG方程式 / 磁化のダイナミクス / スピン波
研究実績の概要

2017年度は、広帯域複合物理計算法の開発」と「スピン波励起及び伝搬制御」に関する研究を主に行った。これらのテーマに関する研究実績の概要は以下の通りである。

1)広帯域複合物理計算法の開発:磁化の歳差運動を表すランダウ・リフシッツ・ギルバート(LLG)方程式と電磁界の支配方程式であるマックスウェル方程式を差分法により時空間で同時解析する手法を開発した。開発法は、磁化のダイナミクスと電磁界との相互作用を考慮した複合物理計算が可能であり、複雑な挙動の磁化と電磁界との相互作用を解析できる。また、空間セルサイズの変化に対する数値結果の考察より,電磁波と磁化のマルチスケール解析の重要性を明らかにした。

2)スピン波励起及び伝搬制御:開発した複合物理計算法を用いて、複雑な挙動を有する磁化のダイナミクスと電磁界との相互作用との解析を行った。外部磁界により、ある一方向に磁性膜を飽和させた解析モデルを検証した。イットリウム・鉄・ガーネットの磁性膜に平面電磁波の入射を想定する。透磁率をテンソル形式で考慮した従来手法と、時空間での複合物理計算を実行する開発法とを比較すると、磁化の非線形性が発現しない条件において両者の結果は一致した。これに対して、高強度な電磁波を入射した磁性体の非線形性を発現するモデルでは、両者の結果に差異が確認でき、開発法の信頼性が高いと結論づけられた。また、外部磁界により、ある一方向に飽和した磁性薄膜をモデルに対しても解析を行った。磁性体における磁化にある初期分布を与えたところ、磁性薄膜中には磁化間の相互作用により複数モードの定在波が生じた。磁性薄膜外部の観測点における磁界の時間応答解析より、これらの影響がひずみ波として観測できることを明らかにした。

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

2017年度においては、以下に得られた研究成果より、本研究はおおむね順調に進展していると判断する。

1)広帯域複合物理計算法の開発:当初の予定通り、磁化のダイナミクスと電磁界の相互作用を解析する複合物理計算を実現できた。磁化のダイナミクスはランダウ・リフシッツ・ギルバート(LLG)方程式を逐次計算により解析した。また、電磁界の支配方程式であるマックスウェル方程式に関しても逐次計算で解析を行い、これらの結果を時空間で連成解析することで複合物理計算を実行した。従来法との比較より、磁化の非線形性が現れないモデルに関しては数値結果が一致すること、非線形性を有する場合は開発法でのみ正確な解析ができることを明らかにし、その有用性を示した。また、空間セルサイズの変化に対する開発法の信頼性も併せて検証した。

2)スピン波励起及び伝搬制御:開発法を用いた複合物理シミュレーションにより検証を行った。外部磁界により、ある一方向に磁化を飽和させた解析モデルに対する検証では、イットリウム鉄ガーネットを想定した磁性膜に平面電磁波を入射した。複合物理計算が可能な開発法と透磁率をテンソル形式で考慮した従来手法を比較すると、磁化の非線形性が発現しない条件において両者の結果は一致する。これに対して、高強度な電磁波を入射することで,磁性体の非線形性を発現するモデルでは、両者の結果に差異が確認できた。また、外部磁界により、ある一方向に飽和した磁性薄膜をモデルに対しても解析を行った。磁性体における磁化にはある初期分布を与えた場合、磁性薄膜中には磁化間の相互作用により複数モードの定在波が生じる。磁性薄膜外部の観測点において時間応答を解析したところ、これらの影響がひずみ波として観測できることを明らかにした。

今後の研究の推進方策

2017年度に実施した課題、「広帯域複合物理計算法の開発」と「スピン波励起及び伝搬制御」に関する研究を引き続き実施し、得られた成果を元に「スピン波デバイスのシミュレーション設計」などを実施する。

1)広帯域複合物理計算法の開発:昨年度開発した電磁界と基本物性ソルバーを統合し、電磁波、磁性に熱などの効果を加えた3次元物性ソルバーの開発を目的とする。昨年度本基金で購入した高性能クラスタ計算機を用いて、並列・分散計算による計算の高速化を試みる。研究代表者が開発を続ける、複素周波数領域における有限差分法を本解析法への適用を試み、完全並列化計算を検討する。また不均一セルやスムージングなどを用いた効率的なモデル化も試みる。
2)スピン波励起及び伝搬制御:昨年度開発した複合物理計算法を用いて、磁性体中のスピン波伝搬を外部からの電磁パルス印加により制御する方法の基礎検証を行う。具体的には、電磁パルスのスポット形状変化に対するスピン波の伝搬方向制御、電磁パルスの中心周波数変化によるスピン波モード選択、磁性体の温度変化に対する磁化の縦緩和と横緩和などの観点からスピン波伝搬制御方法の確立を試みる。
3)スピン波デバイスのシミュレーション設計:スピン波励起及び伝搬制御に関する研究で解明するスピン波励起・伝搬制御方法を元に、磁性ガーネットなどに誘起されたスピン波の振幅及び位相制御を、外部からの電磁パルス印加により行う方法を複合物理シミュレーションにより検証する。複数のスピン波に対する干渉条件の確立も併せて試みる。論理演算をスピン波干渉などにより実現することを目的として、ジュール熱損失のない省電力論理演算素子の基本回路など設計を試みる。

次年度使用額が生じた理由

2017年度に申請した旅費に一部計画変更が生じ、19万円(代表者14万円、分担者5万円)の残額が生じた。これらは、2018年度に開催される国際会議(URSI-ATRASC 2018, Gran Canaria, Spain)で依頼された関連研究テーマに関する招待講演の参加旅費等に充てる。

  • 研究成果

    (37件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (10件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (20件) (うち国際学会 7件) 図書 (1件) 備考 (4件) 産業財産権 (1件)

  • [国際共同研究] Purdue University(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      Purdue University
  • [雑誌論文] Finite-Difference Complex-Frequency-Domain Method for Optical and Plasmonic Analyses2018

    • 著者名/発表者名
      D. Wu, R. Ohnshi, R. Uemura, T. Yamaguchi, S. Ohnuki
    • 雑誌名

      IEEE Photonics Technology Letters

      巻: 30 ページ: 1024-1027

    • DOI

      10.1109/LPT.2018.2828167

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Design for Cooling Near Field Transducer Using SPP Waveguide for Heat Assisted Magnetic Recording2018

    • 著者名/発表者名
      K. Nakagawa, K. Kimura, Y. Hayashi, K. Tamura, Y. Ashizawa, and S. Ohnuki
    • 雑誌名

      Journal of the Japanese Applied Physics

      巻: 1 ページ: 1-4

    • 査読あり
  • [雑誌論文] マイクロマグネティクス計算によるMAMR多層記録の検討2018

    • 著者名/発表者名
      種田亮太, 大貫進一郎
    • 雑誌名

      信学技報

      巻: 117(408) ページ: 89-92

  • [雑誌論文] 電磁波散乱問題へのCIP法の適用―媒質境界の取扱いに関する一考察2018

    • 著者名/発表者名
      谷口宣明,山口隆志,大貫進一郎
    • 雑誌名

      信学技報

      巻: 117(289) ページ: 183-186

  • [雑誌論文] 磁化のダイナミクスを考慮した電磁界解析2017

    • 著者名/発表者名
      田中和幸,大貫進一郎
    • 雑誌名

      信学技報

      巻: 117(289) ページ: 121-124

  • [雑誌論文] 複素周波数領域有限差分法による電磁界散乱解析 -数値逆ラプラス変換の併用及び時間応答-2017

    • 著者名/発表者名
      呉迪, 山口隆志, 大貫進一郎
    • 雑誌名

      信学技報

      巻: 117(37) ページ: 5-8

  • [雑誌論文] 光デバイスの設計に向けた電磁界時間-周波数応答解析 ~ 有限差分法と高速逆ラプラス変換法の併用2017

    • 著者名/発表者名
      呉迪, 山口隆志, 大貫進一郎
    • 雑誌名

      信学技報

      巻: 117(37) ページ: 5-8

  • [雑誌論文] 微小金属柱列における光学応答解析 ~ ピーク波長と断面形状2017

    • 著者名/発表者名
      大貫進一郎,遠藤源博,高橋涼,呉迪,山口隆志
    • 雑誌名

      信学技報

      巻: 117(74) ページ: 11-14

  • [雑誌論文] プラズモニックアンテナによる局所偏光制御2017

    • 著者名/発表者名
      大貫進一郎, 大西崚平, 立澤圭輔, 山口隆志, 芦澤好人, 中川活二
    • 雑誌名

      信学技報

      巻: 117(142) ページ: 101-104

  • [雑誌論文] 電磁界時間-周波数解析における参照解 ~ 誘電体円柱の場合2017

    • 著者名/発表者名
      大貫進一郎,増田宗一郎,大西崚平,渡部慎太郎
    • 雑誌名

      信学技報

      巻: 117(245) ページ: 135-138

  • [学会発表] Influence of Optical Parameters of Protection Layers on Heating Process in Heat Assisted Magnetic Recording2018

    • 著者名/発表者名
      K. Kimura, Y. Hayashi, Y. Ashizawa, S. Ohnuki, K. Nakagawa
    • 学会等名
      Magnetics and Optics Research International Symposium 2018
    • 国際学会
  • [学会発表] 粒子状媒体を用いたマイクロ波アシスト磁気記録の検証-媒体の多層化による高密度化2018

    • 著者名/発表者名
      種田亮太,大貫進一郎
    • 学会等名
      2018年電子情報通信学会総合大会
  • [学会発表] 磁化のダイナミクスを考慮した電磁界解析-非線形性を有した磁性体モデル2018

    • 著者名/発表者名
      田中和幸,大貫進一郎
    • 学会等名
      2018年電子情報通信学会総合大会
  • [学会発表] 複素周波数領域有限差分法による金属級の電磁波散乱解析2018

    • 著者名/発表者名
      呉迪,大西崚平,山口隆志,大貫進一郎
    • 学会等名
      2018年電子情報通信学会総合大会
  • [学会発表] CIP法による電磁波散乱解析-媒質境界の扱いと界の安定性2018

    • 著者名/発表者名
      谷口宣明,山口隆志,大貫進一郎
    • 学会等名
      2018年電子情報通信学会総合大会
  • [学会発表] Magnetic Resonance of Garnet Film Fabricated by Metal Organic Decomposition Method2018

    • 著者名/発表者名
      H. Saito, Y. Kasatani, K. Shibata, H. Hashiba, Y. Ashizawa, S. Ohnuki, A. Tsukamoto, and K. Nakagawa
    • 学会等名
      Magnetics and Optics Research International Symposium 2018
    • 国際学会
  • [学会発表] 磁化のダイナミクスを考慮したFDTD法による電磁界解析2017

    • 著者名/発表者名
      田中和幸,大貫進一郎
    • 学会等名
      2017年電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • [学会発表] 粒子状記録媒体を用いたマイクロ波アシスト磁気記録の検証-2層記録における反転制御のロバスト性2017

    • 著者名/発表者名
      種田亮太,大貫進一郎
    • 学会等名
      2017年電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • [学会発表] 時間領域電磁界解析法の比較検討-分散モデルと計算精度2017

    • 著者名/発表者名
      大西崚平,渡部慎太郎,大貫進一郎
    • 学会等名
      電子情報通信学会
  • [学会発表] 金属楕円柱列における局在表面プラズモンの波長応答制御2017

    • 著者名/発表者名
      遠藤源博,高橋涼,大貫進一郎
    • 学会等名
      電子情報通信学会
  • [学会発表] 電磁界解析におけるCIP法の計算精度の検討2017

    • 著者名/発表者名
      谷口宣明,山口隆志,大貫進一郎
    • 学会等名
      電子情報通信学会
  • [学会発表] プラズモニックアンテナの局所偏光解析-入射光による偏光制御2017

    • 著者名/発表者名
      大西崚平, 立澤圭輔, 山口隆志, 大貫進一郎, 芦澤好人, 中川活二
    • 学会等名
      2017年電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • [学会発表] 円柱状微小レーザ発振器の放射パターン制御に関する検討2017

    • 著者名/発表者名
      上村凌平, 大貫進一郎
    • 学会等名
      2017年電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • [学会発表] 電磁波散乱解析におけるCIP法の計算精度―数値逆ラプラス変換法を用いた参照解との比較2017

    • 著者名/発表者名
      谷口宣明,山口隆志,大貫進一郎
    • 学会等名
      2017年電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • [学会発表] 微小金属柱列における光学応答解析―振動方向とピーク波長2017

    • 著者名/発表者名
      遠藤源博,高橋涼,山口隆志,大貫進一郎
    • 学会等名
      2017年電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • [学会発表] Time-Domain Analysis of Spin Waves Using the FDTD Scheme2017

    • 著者名/発表者名
      K.Tanaka and S.Ohnuki
    • 学会等名
      Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2017)
    • 国際学会
  • [学会発表] Numerical Verification of a Novel High-density Magnetic Recording Method Hybrid Technique of MAMR with BPM2017

    • 著者名/発表者名
      R. Oida, S. Ohnuki
    • 学会等名
      Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2017)
    • 国際学会
  • [学会発表] A Novel Algorighm for Electromagnetic Problems in Time and Frequency Domains2017

    • 著者名/発表者名
      D. Wu, T. Yamaguchi, and S. Ohnuki
    • 学会等名
      Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2017)
    • 国際学会
  • [学会発表] Numerical Simulation of Cylindrical Microcavity Lasers for Active Photonic Systems2017

    • 著者名/発表者名
      R. Uemura and S. Ohnuki
    • 学会等名
      Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2017)
    • 国際学会
  • [学会発表] Influence of Protection Layers on Local Heating in Heat Assisted Magentic Recording2017

    • 著者名/発表者名
      K. Kimura, Y. Hayashi, Y. Ashizawa, S. Ohnuki, and K. Nakagawa
    • 学会等名
      The 28th Magnetic Recording Conference
    • 国際学会
  • [図書] 磁性材料の最新開発事例と応用技術、FDFD法(周波数領域差分法)による電磁界解析とその応用2018

    • 著者名/発表者名
      大貫進一郎, 山口隆志,呉廸
    • 総ページ数
      572 (168 - 174)
    • 出版者
      (株)技術情報協会
    • ISBN
      978-4-86104-705-3
  • [備考] 日本大学研究者情報システム

    • URL

      http://kenkyu-web.cin.nihon-u.ac.jp/Profiles/65/0006410/profile.html

  • [備考] 日本大学理工学部ホームページ

    • URL

      https://www.cst.nihon-u.ac.jp/department/ele/research.html

  • [備考] 日本大学理工学部電気工学科ホームページ

    • URL

      https://www.ele.cst.nihon-u.ac.jp/teaching_staff/

  • [備考] 波動信号処理研究室ホームページ

    • URL

      https://www.ele.cst.nihon-u.ac.jp/ohnuki_lab/

  • [産業財産権] 演算装置、演算管理装置及びプログラム2018

    • 発明者名
      大貫進一郎,山口隆志,呉迪,大西崚平
    • 権利者名
      大貫進一郎,山口隆志,呉迪,大西崚平
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2018-12042

URL: 

公開日: 2018-12-17   更新日: 2022-02-21  

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