円盤状強磁性薄膜を用いた高効率な光－マイクロ波変換器の創出

使用盘状铁磁薄膜创建高效光微波转换器

基本信息

批准号：
22K14589
负责人：
久富隆佑
金额：
$ 3万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14589/
关键词：
磁気光学量子光学角運動量マグノン

项目摘要

2022年度は、本研究遂行に必要なサンプル作製手法の確立とその評価、そして光学系の設計を行った。本研究では、強磁性マグノンを用いた高効率な光－マイクロ波波長変換器の創出を目指している。具体的なステップとして、（１）円盤状強磁性単結晶薄膜作製、（２）強磁性共鳴による作製した薄膜の評価、（３）強制励起された薄膜内の強磁性マグノンによって発現するマグノン誘起ブリルアン散乱の定量的観測を想定している。それらを完遂することによって、創出した光－マイクロ波波長変換器の性能評価を行うことが可能となる。そこで、まず（１）円盤状強磁性単結晶薄膜作製を行った。基板はガーネット構造を持つ強磁性体用の基板として代表的な、ガドリニウムガリウムガーネット（GGG）基板を用いた。その基板上に非常に長寿命の強磁性マグノンモードを有することで知られるイットリウム鉄ガーネット（YIG）単結晶をRFマグネトロンスパッタリング装置を用いて成膜し、900 ℃で8時間アニールすることにより単結晶化させた。さらにフォトリソグラフィーとアルゴンイオンミリング装置を用いてドライエッチング加工を施すことにより、直径約100 μm、厚さ約1 μmの円盤状強磁性単結晶薄膜を作製することができた。次に（２）作製した円盤状YIG薄膜の強磁性共鳴測定による物性評価を行った。本研究では、YIG薄膜の面直方向に静磁場を印可し、強磁性スピン集団を飽和させることで発現する均一歳差運動モード（Kittelモード）を用いて光－マイクロ波変換を行う予定である。そこで、薄膜面内方向に交流振動磁場を加え、強磁性共鳴現象の観測を行った。その結果から、Kittelモードの共鳴周波数・寿命・マイクロ波との結合強度の評価を行うことができた。さらに、（３）強磁性マグノンを用いたマグノン誘起ブリルアン散乱実験に向けた光学系の設計も完了している。

在2022年，我们建立并评估了进行这项研究所需的样品制备方法，并设计了光学系统。这项研究旨在使用铁磁磁化器创建高效的光学到微波波长转换器。具体步骤是（1）二张磁磁单晶薄膜的产生的假设，（2）对铁磁共振产生的薄膜的评估，以及（3）对镁诱导的brillouin散射的定量观察，这些散射是由铁磁性磁源表达的。通过完成这些步骤，可以评估创建的光学到微波波长转换器的性能。因此，首先制造了（1）个圆盘形的铁磁单晶薄膜。底物是Gadolinium Gallium Garnet（GGG）底物，这是具有石榴石结构的铁磁材料的典型底物。 Yttrium铁石榴石（YIG）单晶以非常长的寿命铁磁磁化模式而闻名，使用RF磁控溅射装置沉积在底物上，并在900°C下退火8小时，以使单个结晶。此外，通过使用光刻和氩离子铣削装置进行干蚀刻，可以产生直径约为100μm的盘状铁电磁单晶薄膜，并且可以产生约1μm的厚度。接下来，（2）通过铁磁共振测量评估制备的圆盘形Yig薄膜的物理特性。在这项研究中，计划使用均匀的进动模式（Kittel模式）进行光到微波转换，该转换是通过施加垂直于YIG薄膜平面的静态磁场来表达的，并使铁磁自旋种群饱和。因此，在薄膜平面的方向上应用了交流振荡磁场，以观察铁磁共振现象。从结果来看，可以在Kittel模式下评估与微波的共振频率，寿命和耦合强度。此外，（3）也完成了使用铁磁磁化的镁诱导的布里群散射实验的光学系统的设计。