技科大,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た(ニュースリリース)。

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,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る。

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つ。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る。

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なかった。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た。

研究グループは今回,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(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た。

最初に,現実と同じスケールの三次元モデルを用いて,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。

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た。信越化学工業から材料提供を受け,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,ストップバンドが発現した。周期配列した銅がない試料の特性と比べ,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った。また,実験結果と計算結果がよく一致し,実験をする前にシミュレーションすることで,効率的なスピン波集積回路開発に繋がると期待できるとする。

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る。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なうチップの開発に寄与するとしている。

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