Ultra-sensitive biomagnetic sensor based on spin wave quantum interference and stochastic resonance information processing

基于自旋波量子干涉和随机共振信息处理的超灵敏生物磁传感器

• 批准号: 22K18804
• 负责人: 田畑 仁
• 金额: $ 4.08万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-06-30 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K18804/
• 关键词: 生体磁気センサ

（１）スピン波量子干渉素子による高感度化磁気検出スピン波干渉を用いた超高感度磁気センサを実証した。代表的なスピン波伝搬材料であるガーネット鉄酸化物Y3Fe5O12:YIGの固有雑音が、理論的見積もりから室温において10-15T/√Hz（γ, V, Mは磁気回転比,磁性体の体積,磁化）であり、SQUIDの310×10-15T/√Hzに匹敵することを明らかにした。またNiimiらのデータ(PRL,2015)を参考に、スピン波干渉素子の理論上の磁場感度はattoT（10-18 T）と見積もられた。これらの知見をもとにPLD非平衡材料合成手法により、フェリ磁性誘電体（ガーネット型鉄酸化物Ln3Fe5O12薄膜を形成し、スピン波（スピン角運動量）干渉素子を作製して磁気検出を実施した。その結果、既存の磁気センサ（ホール素子や磁気トンネル抵抗素子）と異なり、電子輸送が伴わないためジュール熱損が無く熱雑音が低減し、nTレベルの高感度スピンの検出に成功した。（”Sensitivity enhancement in magnetic sensor using CoFeB/Y3Fe5O12 resonator”　Scientific Reports, 12, 11105(1-8) (2022)）（２）微弱なスピン情報を常温環境で検出するため、生体システムに学んだ情報処理原理（確率共鳴原理）を取り入れた高感度検出機能を設計した。環境ゆらぎである熱雑音と同レベルの低エネルギーで確率的に動作する情報処理を行っており、 この発想による超高感度センサのデバイス設計を実施した。（Chaos Solitons & Fractals, 161, 112314(1-11) (2022)）

(1)利用自旋波量子干涉装置的高灵敏度磁检测我们展示了利用自旋波干涉的超高灵敏度磁传感器。石榴石氧化铁 Y3Fe5O12:YIG 是一种典型的自旋波传播材料，理论上估计室温下的固有噪声为 10-15 T/√Hz（γ、V、M 为旋磁比，磁性材料和磁化强度），与SQUID的310×10-15T/√Hz相当。另外，参考Niimi等人的数据（PRL，2015），自旋波干涉装置的理论磁场灵敏度估计为attoT（10-18 T）。基于这些发现，我们利用PLD非平衡材料合成方法形成了亚铁磁性电介质（石榴石型氧化铁Ln3Fe5O12薄膜），制作了自旋波（自旋角动量）干涉元件，并对其进行了磁检测。因此，与现有的磁传感器（霍尔元件和磁隧道电阻元件）不同，由于不涉及电子传输，因此不存在焦耳热损失，减少了热噪声，成功地在 nT 处以高灵敏度检测自旋级别（“灵敏度”）。使用 CoFeB/Y3Fe5O12 谐振器增强磁传感器”科学报告，12, 11105(1-8) (2022)) (2)为了检测室温环境下的微弱自旋信息，我们设计了一种高灵敏度的检测功能，该功能结合了从生物系统中学到的信息处理原理（随机共振原理）。信息处理以相同的方式随机运行。低能级，我们基于这个想法设计了超灵敏传感器设备（Chaos Solitons & Fractals，161， 112314(1-11) (2022))

项目成果

Phase transition of high-quality epitaxial spinel Fe3O4 to γ-Fe2O3 thin films for spin-wave propagation

用于自旋波传播的高质量外延尖晶石 Fe3O4 到 γ-Fe2O3 薄膜的相变

• 发表时间: 2023
• 作者: Siyi Tang;Md Shamim Sarker;Kaijie Ma;Hiroyasu Yamahara;Munetoshi Seki;Hitoshi Tabata
• 通讯作者: Hitoshi Tabata

Spin Wave Characteristics of Spin Frustrated System of Co and Si-substituted Y3Fe5O12 Thin Films

Co和Si取代Y3Fe5O12薄膜自旋受阻体系的自旋波特性

• 发表时间: 2022
• 作者: Kenyu Terao;Md Shamim Sarker;Hiroyasu Yamahara;Munetoshi Seki;Hitoshi Tabata
• 通讯作者: Hitoshi Tabata

Flexoelectric nanodomains in rare-earth iron garnet thin films under strain gradient

• DOI: 10.1038/s43246-021-00199-y
• 发表时间: 2021-09
• 期刊: Communications Materials
• 影响因子: 7.8
• 作者: H. Yamahara;B. Feng;M. Seki;Masaki Adachi;Md Shamim Sarker;T. Takeda;Masaki Kobayashi;R. Ishikawa;Y. Ikuhara;Yasuo Cho;H. Tabata

Carrier injection behaviors from a band semiconductor to strongly correlated electron system in perovskite lanthanum vanadate/silicon junctions

• DOI: 10.1063/5.0094708
• 发表时间: 2022-06
• 期刊: Applied Physics Letters
• 影响因子: 4
• 作者: Y. Hotta;R. Nemoto;Keisuke Muranushi;Yujun Zhang;H. Wadati;Keita Muraoka;Hiroshi Sakanaga;H. Yoshida;K. Arafune;H. Tabata

Boosting learning ability of overdamped bistable stochastic resonance system based physical reservoir computing model by time-delayed feedback

• DOI: 10.1016/j.chaos.2022.112314
• 发表时间: 2022-08
• 期刊: Chaos, Solitons & Fractals
• 作者: Zhuozheng Shi;Zhiqiang Liao;H. Tabata