マグノニクス

マグノニクスは現代磁気学の新興分野であり、現代固体物理学の一分野とみなすことができる。[ 1 ]マグノニクスは波動と磁気の研究を組み合わせたものである。その主な目的は、ナノ構造素子におけるスピン波の挙動を研究することである。本質的に、スピン波は物質中の磁化の伝播する再配列であり、磁気モーメントの歳差運動から生じる。磁気モーメントは電子の軌道モーメントとスピンモーメントから生じ、ほとんどの場合、このスピンモーメントが正味の磁気モーメントに寄与する。

現代のハードディスクの成功を受けて、将来の磁気データストレージや、「マグノニック」ロジックやデータストレージなどにスピン波を使用することに現在大きな関心が寄せられています。[ 2 ]同様に、スピントロニクスは、固有のスピン自由度を利用して、現代のエレクトロニクスで使用されている電子のすでに成功した電荷特性を補完することを目指しています。現代の磁気学は、非常に小さい（サブマイクロメートル）長さスケールと非常に速い（サブナノ秒）時間スケールでの磁化の挙動の理解を深め、これを既存の技術やコンピューティング概念の改善や生成にどのように応用できるかに関係しています。マグノントルクデバイスは、そのような潜在的な用途に基づいてシンガポール国立大学の電気・コンピュータ工学部で発明され、後に完成され、2019年11月29日にサイエンス誌に発表されました。

マグノニック結晶は、交互磁気特性を持つ磁性メタマテリアルです。従来のメタマテリアルと同様に、その特性はバンド構造や組成に直接起因するのではなく、幾何学的構造に起因します。空間的な微小な不均一性が効果的なマクロ的な挙動を生み出し、自然界では容易に見られない特性をもたらします。比透磁率や飽和磁化などのパラメータを変化させることで、材料内の「マグノニック」バンドギャップを調整できる可能性があります。このバンドギャップの大きさを調整することで、バンドギャップを通過できるスピン波モードのみが媒体を伝播できるようになり、特定のスピン波周波数が選択的に伝播します。表面マグノンポラリトンを参照してください。

理論

スピン波は、強磁性体や反強磁性体などの磁気秩序を持つ磁性媒体中を伝播します。磁化の歳差運動の周波数は、物質とその磁気パラメータに依存します。一般的に、歳差運動の周波数はマイクロ波領域で1～100GHzですが、特定の物質における交換共鳴では、数THzに達する周波数も観測されます。この高精度の周波数は、アナログおよびデジタル信号処理の新たな可能性を切り開きます

スピン波自体の群速度は毎秒数km程度です。磁性体におけるスピン波の減衰も、スピン波の振幅が距離とともに減衰する原因となります。つまり、自由に伝播するスピン波が移動できる距離は通常、数十μmに過ぎません。動的磁化の減衰は、ランダウ・リフシッツ・ギルバート方程式（LLG方程式）のギルバート減衰定数によって現象的に説明されます。エネルギー損失のメカニズム自体は完全には解明されていませんが、微視的にはマグノン-マグノン散乱、マグノン-フォノン散乱、そして渦電流による損失によって生じることが知られています。ランダウ・リフシッツ・ギルバート方程式は、磁化の「運動方程式」です。印加バイアス磁場、試料の交換磁場、異方性、双極子磁場といった磁性システムのすべての特性は、ランダウ・リフシッツ・ギルバート方程式に代入される「有効」磁場によって記述される。磁性システムにおける減衰の研究は、現在も進行中の研究課題である。LL方程式は、有効磁場と減衰を伴う固体中の磁化の歳差運動をモデル化するために、1935年にランダウとリフシッツによって導入された。 [ 3 ]その後、ギルバートは減衰項を修正し、減衰が小さい極限において同一の結果を得た。LLG方程式は、 M{\displaystyle \mathbf {M} }Heff{\displaystyle \mathbf {H} _{\mathrm {eff} }}

∂m∂t＝−γm×Heff＋αm×∂m∂t。{\displaystyle {\frac {\partial {\textbf {m}}}{\partial t}}\,=\,-\gamma \,{\textbf {m}}\times {\textbf {H}}_{\mathrm {eff} }\,+\,\alpha \,{\textbf {m}}\times {\frac {\partial {\textbf {m}}}{\partial t}}\,.\qquad }

定数はギルバートの現象論的減衰パラメータであり、固体に依存し、電子磁気回転比である。ここでα{\displaystyle \alpha}γ{\displaystyle \gamma}m＝M/MS。{\displaystyle {\textbf {m}}={\textbf {M}}/{\mathrm {M} _{S}}\,.}

磁気研究は、他の現代科学分野と同様に、理論的アプローチと実験的アプローチの共生によって行われています。両方のアプローチは密接に関連しており、実験は理論予測を検証し、理論は新しい実験の説明と予測を提供します。理論面では、数値モデリングとシミュレーション、いわゆるマイクロマグネティックモデリングに重点を置いています。OOMMFやNMAGなどのプログラムは、適切な境界条件を用いてLLG方程式を数値的に解くマイクロマグネティックソルバーです。[ 4 ]シミュレーションを開始する前に、サンプルの磁気パラメータ、初期の基底状態磁化、およびバイアス磁場の詳細が設定されます。[ 5 ]

実験

実験的には、磁気現象を研究するための多くの手法が存在し、それぞれに限界と利点があります。実験手法は、時間領域法（光および磁場励起TR-MOKE）、磁場領域法（強磁性共鳴（FMR））、周波数領域法（ブリルアン光散乱（BLS）、ベクトルネットワークアナライザー - 強磁性共鳴（VNA-FMR））に分類されます。時間領域法では、試料の分極応答を記録することで、磁化の時間的変化を間接的に追跡できます。磁化は、いわゆる「カー」回転によって推定できます。FMRなどの磁場領域法では、CWマイクロ波磁場を用いて磁化を刺激します。外部磁場を掃引しながら、試料を介したマイクロ波放射の吸収を測定することで、試料内の磁気共鳴に関する情報が得られます。重要なのは、磁化が進行する周波数は、印加磁場の強度に依存することです。外部磁場の強度が増加すると、歳差運動の周波数も増加します。 VNA-FMR などの周波数領域技術では、RF 電流による励起による磁気応答を調べ、電流の周波数を GHz 範囲で掃引し、透過電流または反射電流の振幅を測定できます。

現代の超高速レーザーは、時間領域技術においてフェムト秒（fs）の時間分解能を可能にしており、このようなツールは今や実験室環境で標準となっています。磁気光学カー効果に基づくTR-MOKEは、パルスレーザー光源から2本の別々のレーザービームでサンプルを照射するポンプ・プローブ技術です。「ポンプ」ビームは、サンプルを平衡状態から励起または摂動させるように設計されており、非常に強力なため、サンプル材料内に高度な非平衡状態を作り出し、電子を励起し、それによってフォノンとスピン系を励起します。高エネルギーのスピン波状態が励起され、その後、緩和経路中に低エネルギー状態を形成します。「プローブ」ビームと呼ばれるはるかに弱いビームは、マグノニック材料の表面でポンプビームと空間的に重ね合わされます。プローブビームは、プローブ経路長を増加させる機械的な方法である遅延線に沿って通過します。プローブ経路長を増加させることで、プローブビームはポンプビームに対して遅延し、サンプル表面に到達する時間が遅くなります。時間分解能は、遅延距離を変化させることで実験に組み込まれます。遅延線の位置をステップ状に変化させると、反射ビームの特性が測定されます。測定されるカー回転角は、スピン波が媒体中を伝播する際の動的磁化に比例します。時間分解能はレーザーパルスの時間幅によってのみ制限されます。これにより、超高速光学系と局所スピン波励起、およびマグノニックメタマテリアル（フォトマグノニクス）における非接触検出との接続が可能になります。[ 6 ] [ 7 ]

2009年以来、「マグノニクス」会議は2年ごとに開催されています。次回の会議は2025年7月から8月にかけて、スペイン、マヨルカ島カラ・ミラーで開催されます。

参考文献

  1. ^ Kruglyak, VV; Demokritov, SO; Grundler, D (2010年7月7日). 「マグノニクス」(PDF) . Journal of Physics D: Applied Physics . 43 (26) 264001. Bibcode : 2010JPhD...43z4001K . doi : 10.1088/0022-3727/43/26/264001 . S2CID  239157491
  2. ^ Dutta, Sourav; Chang, Sou-Chi; Kani, Nickvash; Nikonov, Dmitri E.; Manipatruni, Sasikanth; Young, Ian A.; Naeemi, Azad (2015-05-08). 「CMOSを超えるナノマグネットパイプラインのための不揮発性クロックスピン波インターコネクト」 . Scientific Reports . 5 : 9861. Bibcode : 2015NatSR...5E9861D . doi : 10.1038/srep09861 . ISSN 2045-2322 . PMC 4424861. PMID 25955353 .   
  3. ^ Landau, LD ; Lifshitz, EM (1935)、「強磁性体における透磁率の分散理論」、Phys. Z. Sowjetunion、8、153
  4. ^ Di, K.; Feng, SX; Piramanayagam, SN; Zhang, VL; Lim, HS; Ng, SC; Kuok, MH (2015年5月7日). 「合成反強磁性結合によるマグノニック結晶におけるスピン波非相反性の増強」 . Scientific Reports . 5 10153. Bibcode : 2015NatSR...510153D . doi : 10.1038/srep10153 . PMC 4423564. PMID 25950082 .  
  5. ^ Ma, FS; Lim, HS; Wang, ZK; Piramanayagam, SN; Ng, SC; Kuok, MH (2011). 「二成分マグノニック結晶導波路におけるスピン波伝搬のマイクロマグネティック研究」. Applied Physics Letters . 98 (15): 153107. Bibcode : 2011ApPhL..98o3107M . doi : 10.1063/1.3579531 .
  6. ^ Lenk, B.; Ulrichs, H.; Garbs, F.; Münzenberg, M. (2011年10月). 「マグノニクスの構成要素」. Physics Reports . 507 ( 4–5 ): 107– 136. arXiv : 1101.0479 . Bibcode : 2011PhR...507..107L . doi : 10.1016/j.physrep.2011.06.003 . S2CID 118632825 . 
  7. ^ Nikitov, Sergey; Tailhades, Tsai (2001年11月3日). 「周期的磁気構造におけるスピン波—マグノニック結晶」. Journal of Magnetism and Magnetic Materials . 236 (3): 320– 330. Bibcode : 2001JMMM..236..320N . doi : 10.1016/S0304-8853(01)00470-X .
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