Fabrication of spin-wave modulation device based on functional iron oxides

基于功能性氧化铁的自旋波调制器件的制备

基本信息

批准号：
22H01952
负责人：
関宗俊
金额：
$ 10.57万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本年度は、ヘテロ接合型スピン波変調素子の実現に向けて、比較的単純な結晶構造を有し、多種の結晶基板上で薄膜のエピタキシャル成長が可能なスピネル型鉄酸化物に注目し研究を推進した。特に、軌道角運動量を持たない鉄イオンFe3+(L=0)のみから構成され、比較的低いGilbertダンピング定数が期待できる欠損スピネル型γ-Fe2O3（マグへマイト）に焦点を当てた。パルスレーザ堆積法によって作製された薄膜試料を大気中でアニールすることによって、結晶性が極めて高いγ-Fe2O3薄膜を得ることができた。また、このγ-Fe2O3薄膜の表面上に電子ビームリソグラフィによって導波路を形成した。この構造を用いることによって、室温においてスピン波の伝搬を観測することに成功した。今後は、このγ-Fe2O3/Nb:SrTiO3構造を用いたスピン波変調素子（マグノンFET）の作製を行う予定である。また、本年度はスピン波の光制御の実現を目指し、イットリウム鉄ガーネット(YIG)を母体材料に用いたスピングラス薄膜の作製実験も実施した。組成や結晶成長条件を最適化することによって、室温を超えるスピン凍結温度が得られ、光照射による磁化の変化（グラス相の光融解）を室温で観測することに成功した。また、磁気緩和過程を詳細に解析した結果、このガーネット型スピングラス薄膜では、レプリカ対称性の破れ(RSB)が起こって多谷ポテンシャルエネルギー構造が形成されていることが示唆された。さらにこの薄膜においてスピングラスに特有のメモリ効果とエージング効果を室温において観測することにも成功した。

今年，我们的重点是尖晶石型氧化铁，它具有相对简单的晶体结构，可以在各种晶体基板上外延生长薄膜，目的是实现异质结自旋波调制器。我们特别关注有缺陷的尖晶石型γ-Fe2O3（磁赤铁矿），它仅由铁离子Fe3+（L=0）组成，没有轨道角动量，预计具有相对较低的吉尔伯特阻尼常数。通过在大气中对脉冲激光沉积制备的薄膜样品进行退火，我们能够获得结晶度极高的γ-Fe2O3薄膜。此外，通过电子束光刻在该γ-Fe 2 O 3 薄膜的表面上形成波导。通过使用这种结构，我们成功地观察到了室温下的自旋波传播。未来，我们计划使用这种 γ-Fe2O3/Nb:SrTiO3 结构制造自旋波调制器（磁振子 FET）。此外，今年，为了实现自旋波的光学控制，我们进行了以钇铁石榴石（YIG）为基体材料制备自旋玻璃薄膜的实验。通过优化成分和晶体生长条件，我们能够获得超过室温的旋转冷冻温度，并成功观察到室温下光照射引起的磁化强度变化（玻璃相的光熔化）。此外，对磁弛豫过程的详细分析表明，这种石榴石型自旋玻璃薄膜中发生了复制对称性破缺（RSB），形成了多谷势能结构。此外，我们还成功地在室温下观察到了该薄膜的自旋玻璃特有的记忆效应和老化效应。