スピン流からのテラヘルツ波放射を利用した渦電流探傷法の研究開発

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H01387
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 福井大学
• 研究代表者: 谷 正彦 福井大学, 遠赤外領域開発研究センター, 教授 (00346181)
• 研究分担者: 渡邊 誠 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, 分野長 (00391219)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: テラヘルツ波 / 金属スピントロニック素子 / 光伝導アンテナ素子 / 磁場プローブ

研究実績の概要

本研究では，磁場に依存したスピン流からのテラヘルツ(THz)波放射を利用し，従来よりも飛躍的に高い空間分解能を有する渦電流探傷法を開発することを目的としている。そのために，① 金属スピントロニック素子からのTHz波放射を高効率化するとともに，②励磁コイル，スピントロニック素子，THz波検出素子を一体化した渦電流探傷プローブを開発する。また，③THz波放射信号から欠陥を判別するためのDeep Learningによるアルゴリズムと信号処理システムの開発に取り組む。
本年度は以下の研究を実施した。
(1) 昨年度，Diabolo(ボウタイ)型，円形，矩形（Dipole型）のアンテナ構造を持つ金属スピントロニック素子を試作したが，このうちTHz波放射効率が最も高かった矩形（Dipole型）アンテナ構造を持つ素子に対して，その金属膜厚とアンテナ形状を最適化した。矩形（Dipole型）アンテナ構造を持つ金属スピントロニック素子からのTHz波放射効率は，アンテナ構造を持たない場合に比べて，振幅ベースで7倍近く増大した。
(2) 金属スピントロニック素子からのTHz波の検出には，磁場の影響を受ける電気光学結晶に代わり，光伝導アンテナ素子を用いることにし，金属スピントロニック素子と光伝導アンテナ素子を一体化した磁場プローブを設計した。
(3) 渦電流を発生させるための励磁コイルを試作した。また励磁コイルによる磁場変調で，金属スピントロニック素子からのTHz波放射を変調し，ロックインアンプを使用して位相同期検出できることを実証した。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

金属スピントロニック素子からのTHz波放射の高効率化は順調に進んでいる。一方，磁場に依存した金属スピントロニック素子からのTHz波放射検出には電気光学結晶を利用する計画であったが，電気光学結晶として用いたZnTe結晶に大きな磁気光学効果があり，検出素子としては不適であることが分かった。そのため計画を変更し，光伝導アンテナ素子を検出器として用いることにしたため，金属スピントロニック素子とTHz波検出素子(光伝導アンテナ素子)を一体化した磁場プローブの開発が予定より遅れている。

今後の研究の推進方策

今後は金属スピントロニック素子と光伝導アンテナ素子を一体化した磁場プローブの開発を加速する。金属スピントロニック素子として最適化した矩形(Dipole型)アンテナ構造の金属スピントロニック素子を用いて，磁場プローブの感度を向上させる。励磁コイルと磁場プローブを用いて磁場の空間マッピングの実証を目指す。

研究成果

• [雑誌論文] Optimum excitation wavelength and photon energy threshold for spintronic terahertz emission from Fe/Pt bilayer (2022)
  • 著者名/発表者名: Mag-usara Valynn Katrine, Escano Mary Clare, Petoukhoff Christopher E., Torosyan Garik, Scheuer Laura, Madeo Julien, Afalla Jessica, Talara Miezel L., Muldera Joselito E., Kitahara Hideaki, Bacon David R., Nakajima Makoto, Dani Keshav, Papaioannou Evangelos Th., Beigang Rene, Tani Masahiko
  • 雑誌名: iScience 巻: 25 ページ: 104615～104615
  • DOI: 10.1016/j.isci.2022.104615
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Impact of various spintronic antenna structures driven by a 795 nm pump beam to terahertz (THz) wave generation (2022)
  • 著者名/発表者名: Talara Miezel, Bulgarevich Dmitry S., Kobayashi Kana, Kitahara Hideaki, Furuya Takashi, Escano Mary Clare, Watanabe Makoto, Tani Masahiko
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 15 ページ: 122002～122002
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac99b5
  • 査読あり
• [学会発表] Terahertz Wave Generation Performances of Spintronic Sources with Rectangular and Diabolo Antenna Structures (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Talara, D. S. Bulgarevich, K. Kobayashi, H. Kitahara, T. Furuya, M. C. Escano, M. Watanabe and M. Tani
  • 学会等名: pLED International Symposium 2023: Exploring Invisible Light Technology (4-5 March, 2023, Tokushima University, Tokushima)
  • 国際学会
• [学会発表] スピントロニック放射器が放出するテラヘルツ波の交流磁場バイアスを用いた検出効率改善 (2023)
  • 著者名/発表者名: 北原 英明，石井 克幸，タララ ミゼル，古屋 岳，エスカノ メアリークレア，谷 正彦，ブルガレビッチ ドミトリ，へ ドンフェン，渡邊 誠
  • 学会等名: 2023年第70回応用物理学会春季学術講演会 (2023年3月15日～18日，上智大学四谷キャンパス＋オンライン)
• [学会発表] Challenges with Terahertz Magneto-Optic Imaging Scheme (2023)
  • 著者名/発表者名: Dmitry S Bulgarevich, Miezel Talara, Hideaki Kitahara, Makoto Watanabe, Masahiko Tani
  • 学会等名: 2023年第70回応用物理学会春季学術講演会 (2023年3月15日～18日，上智大学四谷キャンパス＋オンライン)
• [学会発表] Structural and electronic origin of spin-dependent interface resistance in spintronic Fe/Pt THz emitter by first-principles calculations (2022)
  • 著者名/発表者名: Mary Clare Sison Escano, Tien Quang Nguyen, Valynn Katrine Mag-usara, Miezel Talara and Masahiko Tani
  • 学会等名: 2022 47th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2022) (28 Aug - 2 Sep, 2022, Delft Netherlands)
  • 国際学会
• [学会発表] Improvement of Terahertz (THz) Wave Emission Efficiency of Fe/Pt Spintronic Bilayers by Using Diabolo and Rectangular Antenna Structures (2022)
  • 著者名/発表者名: Miezel Talara, Dmitry S. Bulgarevich, Kana Kobayasi, Hideaki Kitahara, Takashi Furuya, Mary Clare Escano, Makoto Watanabe and Masahiko Tani
  • 学会等名: 40th Samahang Pisika ng Pilipinas (SPP) Physics Conference (19-21 October 2022, Proxy by the Oriental, Legazpi City, Albay, Philippines)
  • 国際学会
• [学会発表] Terahertz Emission Amplitude Enhancement using Diabolo and Rectangular Spintronic Antennas (2022)
  • 著者名/発表者名: Miezel Talara, Dmitry S. Bulgarevich, Kana Kobayashi, Hideaki Kitahara, Takashi Furuya, Mary Clare Escano, Makoto Watanabe and Masahiko Tani
  • 学会等名: The Third International Symposium on Frontiers in THz technology (16 -18 November 2022, Phoenix Plaza, Fukui, Japan)
  • 国際学会
• [学会発表] Terahertz Wave Generation Comparison of Diabolo and Rectangular Spintronic Antennas Excited by a 795-nm Laser Beam (2022)
  • 著者名/発表者名: Miezel Talara, Dmitry S. Bulgarevich, Kana Kobayashi, Hideaki Kitahara, Takashi Furuya, Mary Clare Escano, Makoto Watanabe and Masahiko Tani
  • 学会等名: The 12th Asian Conference on Ultrafast Phenomena (ACUP2023) (4-6 January 2023, Nanyang Technological University, Singapore)
  • 国際学会
• [学会発表] 金属スピントロニック素子による高効率テラヘルツ波発生の研究(Study on high-efficiency terahertz wave generation by metallic spintronic devices) (2022)
  • 著者名/発表者名: 谷 正彦，中嶋 誠，北原 英明，古屋 岳，タララ ミゼル，マグウサラ ヴァリン，エスカニョ メアリクレア, ムールデラ ホセリート，郭 其新
  • 学会等名: 2022年 光・量子ビーム科学合同シンポジウム（OPTO2022）(2022年6月28日~29日，量子科学技術研究開発機構 関西光科学研究所)
• [学会発表] アンテナ構造による金属スピントロニック素子からのテラヘルツ波放射効率の増強 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小林可奈，Miezel Talara, Dmitry Bulgarevich, 渡邊誠，北原英明，谷正彦
  • 学会等名: 第26回 （2022年）福井セミナー (2022年8月10日～12日，オンライン会議)
• [学会発表] 放物面上の金属スピントロニック膜からのテラヘルツ波発生について (2022)
  • 著者名/発表者名: 高市誠和，冨永啓太，Miezel Talara, Dmitry Bulgarevich, 渡邊誠，北原英明，谷正彦
  • 学会等名: 第26回 （2022年）福井セミナー (2022年8月10日～12日，オンライン会議)
• [学会発表] スピントロニック素子を適用した MLD-TDS へのレーザーカオス応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 守安毅，上遠野修大，北原英明，谷正彦，桒島史欣，河本敏郎， 熊倉光孝
  • 学会等名: 第26回 （2022年）福井セミナー (2022年8月10日～12日，オンライン会議)
• [学会発表] 金属スピントロニック素子によるテラヘルツ波放射の材料依存性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 冨永啓太, 高市誠和, Miezel Talara, 佐々木 悠太, Dmitry Bulgarevich, Garik Torosyan, 北原英明, 谷正彦
  • 学会等名: 第26回 （2022年）福井セミナー (2022年8月10日～12日，オンライン会議)
• [学会発表] Origin of spin-dependent interface resistance in spintronic Fe/Pt THz emitter by first-principles calculations (2022)
  • 著者名/発表者名: Mary Clare Sison Escano, Tien Quang Nguyen, Valynn Katrine Mag-usara, Miezel Talara and Masahiko Tani
  • 学会等名: 2022年日本物理学会秋季大会 (The Japan Physical Society 2022 Autumn Meeting) (September 12-15, 2022, 東京工業大学)
• [学会発表] Terahertz Wave Emission from Fe/Pt Spintronic Bilayer with Diabolo and Rectangular Antenna Structures (2022)
  • 著者名/発表者名: Miezel Legurpa Talara, Dmitry Bulgarevich, Kana Kobayashi, Hideaki Kitahara, Takashi Furuya, Mary Clare Escano, Makoto Watanabe, Masahiko Tani
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会 (2022年9月20-23日，東北大学 川内北キャンパス）
• [学会発表] アンテナ構造による金属スピントロニック素子からのテラヘルツ波放射効率の増強 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小林可奈, Miezel Talara, 谷正彦, Dmitry Bulgarevich, 渡邊誠
  • 学会等名: 2022年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会 (2022年11月26日, 富山大学)
• [学会発表] 磁場変調による金属スピントロニック素子からのテラヘルツ波放射測定 (2022)
  • 著者名/発表者名: 石井克幸, M. Talara, M.C. Escano, 北原秀明, 谷正彦, D. Bulgarevich, 渡邊誠
  • 学会等名: 2022年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会(2022年11月26日, 富山大学)