テラヘルツ制御磁化反転と強磁性スピンダイナミクス

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H02206
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 中嶋 誠 大阪大学, レーザー科学研究所, 准教授 (40361662)
• 研究分担者: 好田 誠 東北大学, 工学研究科, 准教授 (00420000)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: テラヘルツ / 磁化 / 超高速 / 磁性体 / スピン

研究実績の概要

テラヘルツ波による磁性体のスピンダイナミクスに関する研究を実施した。希土類オルソフェライト試料の単結晶成長を実施し、良質の大型単結晶試料の作製に成功した。f電子遷移励起およびフォノン励起の直接励起の及ぼすスピン再配列転移ダイナミクスの観測について、詳細に調べた。スピン再配列転移近傍の温度を詳細に確認し、励起直後のスピン系との相互作用についてその時間ダイナミクスを明らかにすることができた。本案件については、現在論文投稿中である。室温下において、スピン再配列転移のテラヘルツ制御実験を実施中である。対象の単結晶試料作製しその薄膜試料の準備を行った。また、有限要素法を用いた計算を実施することで実験条件や強磁性共鳴モードに共鳴する金属微細構造を、試料表面に作製した。現在、詳細な温度特性や応答感度の確認を実施しているところである。光励起スピン流によるテラヘルツ波放射が生じる磁性体ヘテロ構造素子では、Fe/Pt, Co/Pt の２層系の試料のみならず、非磁性層を２層にした３層系の試料の作製も実施した。ヘテロ界面近傍で生じるスピンホール効果とテラヘルツ放射強度やその時間波形の関係について比較を行っている。試料の膜厚に非常に鋭敏な素子であるため試料ごとの比較が困難な問題がある。これを解決するために、大口径試料上で厚み勾配をもつ試料を作製することで、純粋な厚みの寄与の評価を行えるようにした。磁性・非磁性金属による違いについても評価を行った。

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

昨年度は、コロナ禍のために、出張等が大きく制限され、それによって研究進展が一部遅れるなどの状況が生じた。本研究計画では、試料作製等において、外部の研究機関での利用を計画しており、一部はできなかったり、延期や回数の減少などが実際に生じた。また、一方で研究打ち合わせでのZoom等による活用により遠隔地の研究者との連絡がスムーズとなり、研究進展にプラスの影響を与えている。磁性体試料の作製などにおいては一部遅延がみられるが、共同研究を介して進めた実験においては、当初予定を上回る成果が得られている。特に中赤外励起の研究においては、すでに論文投稿に至っており、想定通りの成果が得られている。

今後の研究の推進方策

引き続きテラヘルツ・光波励起やテラヘルツ波放射による磁気ダイナミクスの研究をすすめる。

研究成果

• [国際共同研究] コンスタンツ大学(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: コンスタンツ大学
• [国際共同研究] 南京大学/南京誘電大学(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 南京大学/南京誘電大学
• [雑誌論文] Anisotropic complex refractive index of b-Ga2O3 bulk and epilayer evaluated by terahertz time-domain spectroscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: V. C. Agulto, K. Toya, T. N. K. Phan, V. K. Mag-usara, J. Li, M. J. F. Empizo, T. Iwamoto, K. Goto, H. Murakami, Y. Kumagai, N. Sarukura, M. Yoshimura, and M. Nakajima
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 118 ページ: 042101
  • DOI: 10.1063/5.0031531
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Longitudinal and transverse spatial beam profile measurement of relativistic electron bunch by electro-optic sampling (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Ota, K. Kan, S. Komada, Y. Arikawa, T. Shimizu, V. K. Mag-usara, Y. Sakawa, T. Matsui, and M. Nakajima
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 14 ページ: 026503
  • DOI: 10.35848/1882-0786/abd8677
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Reconfiguration of magnetic domain structures of ErFeO3 by intense terahertz free electron laser pulses (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Kurihara, K. Hirota, H. Qiu, K. Phan, K. Kato, G. Isoyama and M. Nakajima
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 ページ: 7321
  • DOI: 10.1038/s41598-020-64147-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Magnetic pole flip by millimeter wave (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Ohkoshi, M. Yoshikiyo, K. Imoto, K. Nakagawa, A. Namai, H. Tokoro, Y. Yahagi,K. Takeuchi, F. Jia, S. Miyashita, M. Nakajima, H. Qiu, K. Kato, T. Yamaoka, M. Shirata, K. Naoi, K. Yagishita H. Doshita
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: 32 ページ: 2004897
  • DOI: 10.1002/adma.202004897
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 3D porous graphene assisted capsulized cholesteric liquid crystals for terahertz power visualization (2020)
  • 著者名/発表者名: L. Wang, R.Xiao, S. Yang, H. Qiu, Z. Shen, P. Lv, C. Zhang, W. Wei, M. Nakajima, B. Jin, and Y. Q. Lu
  • 雑誌名: Optics Letters 巻: 45 ページ: 5892-5895
  • DOI: 10.1364/OL.405695
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Terahertz Spintronic Emission from Fe/Pt Hetero-Structure and Its Sensing Applications (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Tani, M. Talara, D. Bulgarevich, V. Mag-usara, K. Tominaga, M. Escano, C. E. Petoukhoff, J. Mado, D. R. Bacon, K. Dani, G. Torosyan, L. Scheuer, R. Beigang, E. Th. Papaioannou, H. Kitahara, J. Muldera, J. Afalla, T. Furuya, M. Nakajima, and M. Watanabe
  • 学会等名: XXV International Symposium Nanophysics and Nanoelectronics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 金属マイクロコイルアレイによるテラヘルツ帯透過特性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 凌子祺, 益田洋平, V. K. Mag-usara, 芳我基治, 吉村政志, 中嶋誠
  • 学会等名: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] THz-TDS透過測定を用いた電気回路 モデルによるグラフェンの電気特性評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 鈴木拓輝, 藤井高志, 毛利真一郎, 岩本敏志, 上田悠貴, 成塚重弥, 中嶋誠, 荒木努
  • 学会等名: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 非線形光学ポリマーのシュタルク効果を利用した超高周波電界検出と応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山田俊樹、梶貴博、山田千由美、有川安信、中嶋誠、大友明
  • 学会等名: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 中赤外f-f電子共鳴によるSm0.7Er0.3FeO3のスピン再配列相転移 (2021)
  • 著者名/発表者名: 栗原貴之, Gabriel Fitzky, 弘田和将, 小池遥平, 邱紅松, 中嶋誠, Alfred Leitenstorfer
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会,
• [学会発表] THz-FEL照射による磁区構造変化の観察 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中嶋誠, 栗原貴之
  • 学会等名: 大阪大学産業科学研究所量子ビーム科学研究施設令和２年度成果報告会
• [学会発表] LTRAFAST SPIN SPECTROSCOPY AND CONTROL IN THE MAGNETIC MATERIALS BY TERAHERTZ PULSES (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Nakajima
  • 学会等名: 47th IEEE International Conference on Plasma Science (ICOPS2020)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] TERAHERTZ EMISSION PROPERTIES FROM FE/PT METALLIC SPINTRONIC HETERO-STRUCTURES (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Tani, V. Mag-usara, M. Talara, C. Tachioka, J. Afalla, J. Muldera, T. Furuya, M. C. S. Escano, G. Torosyan, L. Scheuer, D. Sokoluk, M. Rahm, E. Th. Papaioannou, R. Beigang, C. E. Petoukhoff, J. Mado, K. M. Dani, K. Saito, Q. Guo, H. Kitahara, M. Nakajima, D. Bulgarevich, M. Watanabe
  • 学会等名: 47th IEEE International Conference on Plasma Science (ICOPS2020)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Studies for enhancing THz emissions from optically excited spintronic metallic films (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Tani, M. Talara, D. Bulgarevich, V. K. Mag-usara, J. Muldera, T. Furuya, H. Kitahara, M. C. Escano, Q. Guo, M. Nakajima, M. Watanabe
  • 学会等名: The 38 th SPP Physics conference (SPP2020)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Manipulation of ferromagnetic domain by the terahertz free electron laser excitation (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Nakajima, T. Kurihara, T. Shimizu, Y. Koike, and G. Isoyama
  • 学会等名: Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Terahertz emission amplitude-based 2D mapping of the Fe thickness profile in Fe/Pt spintronic heterostructure (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Koike, S. Tetsukawa, M. Nishitani, H. Kitahara, V. K. P. Mag-usara, M. Asakawa, M. Yoshimura
  • 学会等名: Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2020)
  • 国際学会
• [学会発表] THz Emission Amplitude Enhancement of Fe/Pt Diabolo-shaped Spintronic Antennas Fabricated on MgO Substrates (2020)
  • 著者名/発表者名: Miezel Talara, Dmitry Bulgarevich, Valynn Katrine Mag-usara, Chiyaka Tachioka, Joselito Muldera, Hideaki Kitahara1, Mary Clare Escano, Makoto Nakajima, Makoto Watanabe and Masahiko Tani
  • 学会等名: JSAP-OSA Joint Symposia 2020
  • 国際学会
• [学会発表] 高強度テラヘルツパルスによる電子スピン制御 (2020)
  • 著者名/発表者名: 志田 博貴, 高澤 一朗太, 石谷 善博, 中嶋 誠, 森田 健
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] テラヘルツパルスによる超高速スピン分光と制御 (2020)
  • 著者名/発表者名: 中嶋誠
  • 学会等名: 磁気学会 第75回スピントロニクス専門研究会
  • 招待講演
• [産業財産権] テラヘルツ光源、流体検知器、及び、テラヘルツ波生成方法 (2020)
  • 発明者名: 中嶋誠、V.Magusara、西谷幹彦
  • 権利者名: 中嶋誠、V.Magusara、西谷幹彦
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2020-180774