金属磁石表面のスピン波の発生と検出に成功：将来の高速、省エネデバイス実現につながる成果

電荷の流れを伴わずに情報を伝達

　東北大学は2016年7月8日、金属磁性体表面の磁気の波（スピン波）を光パルスで発生させ、高精度に観測することに成功したと発表した。スピン波を使った高速、低消費電力の情報処理デバイスの開発につながる成果だとする。

　光パルスを用いた金属磁石表面のスピン波の発生と検出に成功したのは、東北大学大学院工学研究科の飯浜賢志氏（現・日本学術振興会特別研究員、産業技術総合研究所）と東北大学原紙分子材料科学高等研究機構教授の水上成美氏らの研究グループ。

　スピン波は、磁石のような磁性体に固有の波で、電荷の流れを伴わずに情報を伝達できる。スピン波を高速、効率よく発生、制御できれば、高速、低消費電力の情報処理デバイスを作成できる可能性があり、スピン波の物理的性質の理解、その発生、制御、検出方法の研究が行われている。最近では、ガーネットやフェライトなどの磁性絶縁体でフェムト秒光パルスを用いてスピン波を発生できることが実験的に示され、基礎的、応用的観点から多くの研究が行われている。

　ただ、東北大によると、応用上重要となる金属の磁性体においては、光パルスを用いたスピン波の発生〜解析を実現した研究はなかったという。

初めて金属磁石表面で

　東北大の研究グループはこれまでに、スピントロニクスデバイス用磁性材料における超高速の磁気のダイナミクスを、フェムト秒光パルスを用いて評価する研究を進めてきた。今回、これまで培った評価技術を基に2つの光パルスを用いた高い時間分解能を持つ走査型の「ポンプ・プローブ磁気光学顕微鏡」を独自に構築した。

2つの光パルスを用いた走査型のポンプ・プローブ磁気光学顕微鏡と磁気の波（スピン波）の概念図 （クリックで拡大） 出典：東北大学

　高強度の“ポンプ”光パルスが試料に集光され、光パルスが集光された半径約1μmの領域からスピンパルスが発生。顕微鏡に導入されたもう1つの微弱な“プローブ”光パルスを時間、空間的に操作し磁気の変化を検出することで、発生したスピン波の伝搬を時間分解検出できる。

3000m/秒の伝搬速度

　研究グループは、ポンプ・プローブ磁気光学顕微鏡を用い、厚み20nmの鉄ニッケル合金薄膜におけるスピン波の発生、観測を実施。ポンプパルス光が照射された領域から約3μm離れた位置でスピン波の束（波束）が通過していく様子を明瞭に観測した。さらにプローブ光パルスを集光する位置と時間を走査することで、スピン波の時空間における振る舞いの解析にも成功。ポンプ光パルスで発生したスピン波は1500ピコ秒の間に約5μm程度、伝搬していくことが分かった。このことは、光パルスで発生したスピン波が約3000m/秒の速度で伝搬することを意味する。

磁気の波（スピン波）の観察結果 （クリックで拡大） 出典：東北大学
“ポンプ”パルス光の到達した時刻と集光位置を座標原点としている。（a）は、約3μmの位置における観測例であり、「ポンプ」パルス光が到達してから約1000ピコ秒後に磁気の波の波束が通過していく様子を表している。（b）は、磁気の波の時間・空間的な伝搬の様子。“ポンプ”パルス光が照射された位置（原点付近）では、強い磁気の振動が見られる。磁気の波は波束として伝搬し約1500ピコ秒の間に約5ミクロン程度伝搬している（点線の矢印）。

　東北大では、「これらの実験結果は、理論計算で予測される結果と一致し、光パルスがフェムト秒の時間スケールで金属磁性体を瞬間加熱し、その際の超高速減磁現象^＊）がスピン波を発生させるという物理的メカニズムで説明できることが定量的に明らかになった」としている。

デバイス向きの金属磁性材料開発が加速か

　今回の研究成果により、さまざまな金属磁性材料のスピン波の性質を調べることができるようになる見込み。そのため、より効率的にスピン波を発生する材料の開発や、スピン波がより高速に伝搬する材料の開発などが行いやすくなり、「スピン波を用いた低消費電力、高速の情報処理デバイスの基盤になる新材料の開発に貢献すると考えられる」（東北大）としている。