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光パルスを用いた金属磁石表面の磁気の波の発生と検出に成功

July, 12, 2016, 仙台--東北大学大学院工学研究科博士課程後期3年飯浜賢志と東北大学原子分子材料科学高等研究機構(WPI-AIMR)の水上成美教授は、東北大学大学院工学研究科安藤康夫教授らと共同で、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。
 磁性体には特異な磁気の波が存在することが古くから知られている。近年、磁気の波を情報の処理や伝達の媒体として用いる技術が提案され、その物理的性質の理解に加え、磁気の波の発生・制御・検出方法の研究が世界的に行われている。これまで、フェライトやガーネット等の磁性絶縁体において、光パルスを用いた磁気の波の発生と観察の研究が進められて来たが、金属磁性体ではその明瞭な観察や定量的な解析の報告がなかった。
 研究では、二つの光パルスを用いた高時間分解・走査型磁気光学顕微鏡を独自に構築し、光パルスによって金属磁性体に磁気の波を発生させ、ピコ秒の時間スケールで磁気の波が伝播する様子を精密に観測、定量的に解析することを世界に先駆けて達成した。磁気の波を用いた将来の低消費電力・高速の情報処理デバイスの開発に寄与する成果。 
 これまで当研究グループでは、スピントロニクスデバイス用磁性材料の超高速の磁気(スピン)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。今回の研究では、これまで培った評価技術をベースに、二つの 光パルス を用いた高い時間分解能を有する走査型 のポンプ・プローブ磁気光学顕微鏡を独自に構築した。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の領域から磁気の波が発生する。顕微鏡に導入されたもう一つの微弱な「プローブ」光パルスを時間・空間的に走査し磁気の変化を検出することで、発生した磁気の波の伝播を時間分解検出することができる。「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、磁気の波の束(波束) が通過していく様子が明瞭に見られている。「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、磁気の波の時空間における振る舞いを知ることができる。「ポンプ」光パルスで発生した磁気の波は、1500ピコ秒(ps)の間に約5µm程度伝播していくことが分かる。これは、光パルスで発生した磁気の波が秒速約3000mの速度で伝播することを示している。これらの 実験の結果は、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磁気の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となった。
 研究成果は、7月1日(米国時間)に、米国物理学会「Physical Review B」(フィジカルレビュービー)の「Rapid Communication」(速報版)に掲載された。