弾性波現象におけるスピン軌道物理の開拓

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本年度は表面弾性波という角運動量をもつフォノンを用いて強磁性体の磁化の方向の制御を目的とした研究を行なった．スピントロニクス分野においてはスピン流という電子のスピン角運動量の流れを用いた強磁性磁化の方向制御の研究が多く行われており，その現象はMRAMのようなデバイスへの応用として成功している．また電子スピン以外にも光の角運動量を磁性体に転写することで磁化の制御が可能で，この現象は逆ファラデー効果として知られている．このように角運動量の流れによる磁化制御はその粒子によらない効果であると考えられる．そこで我々は弾性波，つまりフォノンの角運動量による強磁性磁化制御も可能であると考え，その実験的実証を目指す研究を行なった．強誘電体基板とくし形電極からなる表面弾性波デバイスを作製し，その上に強磁性体であるニッケルの薄膜を蒸着することで，強磁性体の磁化と表面弾性波フォノンの角運動量が結合するデバイスを作製した．ニッケル薄膜の形状を工夫することで，強磁性磁化の向きが正か負かのどちらかになるような状況を作り，その向きを表面弾性波によって選択するという実験を行なった．表面弾性波の伝搬方向とフォノン角運動量の正負が対応しているため，伝搬方向を反転させることで角運動量の向きも反転させることができる．一方向に伝搬する表面弾性波と結合させた磁化の方向を調べると正負のうち片方にその方向が定まることを確かめた．また，表面弾性波の伝搬方向を反転させると，磁化の方向も反対方向に定まることを観測した．理論解析と比較することで表面弾性波のフォノン角運動量が磁化の励起であるマグノンの角運動量を介することで磁化の方向を定めていることがわかった．この実験結果によってフォノン角運動量による磁化制御に初めて成功し，フォノンの角運動量の物理において開拓的な研究を示すことができている，