前進体積スピン波のストップバンドを発現

豊橋技術科学大学の後藤太一 助教らは，「前進体積スピン波」の特定の周波数成分の伝搬を妨げるストップバンドを実証しました。前進体積スピン波は，電流を流さずに磁性絶縁体中を伝わることから，次世代の集積回路への応用が期待されています。また，確認されているスピン波の中で集積回路チップ内の情報伝達に最も適しており，応用が強く期待されているものです。しかし，これまで，前進体積スピン波のノイズは大きく，基本的な物理現象の１つであるストップバンドが観測できていませんでした。今回の実証では，磁性絶縁体と金属を組み合わせ，前進体積スピン波のノイズを抑制し，世界で初めてストップバンドの発現を実験で確認しました。

本研究は，豊橋技術科学大学の後藤太一 助教，島田馨 博士前期課程生，中村雄一 准教授，内田裕久 教授，井上光輝 教授らが共同で行ったものです。また，実験に用いた試料は，信越化学工業株式会社との共同研究のもと作製されました。

近年の半導体材料を利用した電子デバイスは，高集積化によるエネルギー密度の増加に伴い，チップの温度が高くなり，不具合を生じるなどして，急成長する情報化社会からの要求に答えることが難しくなってきています。そこで，電子自体は移動せずスピンだけを伝えることで情報処理を行い，熱の発生が大幅に低減可能なスピン波集積回路チップの開発が注目を集めています。この中でも，磁性絶縁体中を伝わるスピン波は，エネルギーの損失が小さく，長距離伝送が可能という利点を持っています。さらに，存在が確認されているスピン波の中でも，あらゆる方向に伝わる前進体積スピン波は，直線状の配線だけでなく，斜めや曲線の配線が可能なため，最も集積回路に適すると言われています。その一方で，この前進体積スピン波はノイズが大きく，いくつもの基本的なスピン波の現象が実証されていませんでした。このような基本原理の実証は，集積回路チップの開発には必要不可欠であり，重要課題となっていました。

今回，豊橋技術科学大学の後藤太一らは，酸化物で磁性絶縁体として有名な単結晶のイットリウム鉄ガーネット（Yttrium iron garnet, YIG）と２つの金属（金と銅）を組み合わせ，ノイズを抑制し，世界で初めて前進体積スピン波のストップバンドの発現を実験で確認しました。本研究では，最初に，現実と同じスケールの三次元モデル（図１）を用いて，スピン波の伝搬がシミュレーションできるシステムを整えました。これを用いて，ノイズが小さく，基本的なスピン波の現象の一つである「ストップバンド」が発現する試料構造を決定しました。ストップバンドとは特定の周波数のスピン波成分を通さない現象であり，光を含む電磁波など他の波についても表れるものです。次に，このシミュレーションと，できる限り同じ試料を作製しました。図２が信越化学工業株式会社から材料提供を受け作製した試料であり，線状に加工したイットリウム鉄ガーネットの両端を金膜で覆うことでノイズ発生を抑え，銅の膜を横断歩道のように周期配列することで特定の周波数の伝搬を妨げるようにしました。この試料に，さまざまな周波数のスピン波を流し，透過特性を測定したところ，図３のように，ストップバンドが発現しました。周期配列した銅がない試料の特性と比べると，ストップバンドの発現が周期配列した銅による影響であることが分かります。また，実験結果と計算結果がよく一致しました。このことから，実験をする前にシミュレーションで結果が予測でき，効率的なスピン波集積回路開発に繋がると期待できます。

今回得られた成果は，将来のスピン波集積回路チップの中では，スピン波のフィルター等として使うことができます。他にも，スピン波の伝わる速度を遅くしたり，進む方向をコントロールしたりすることにも使うことができ，より小型で，高密度で情報処理を行うチップの開発に寄与します。

###

ファンディングエージェンシー：

JST さきがけ No. JPMJPR1524

JSPS 科研費 Nos. 17K19029，16H04329，26220902

論文情報：

Taichi Goto, Kei Shimada, Yuichi Nakamura, Hironaga Uchida and Mitsuteru Inoue, "One-dimensional magnonic crystal with Cu stripes for forward volume spin waves", Physical Review Applied, 10.1103/PhysRevApplied.11.014033, (2019). https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevApplied.11.014033

---

---