Spin wave non-reciprocity in magnonic crystals

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本研究計画では磁性体を人工的に加工することでそこを伝播するスピン波に非相反性を付与するための理論研究が目的である。令和４年度は、強磁性薄膜に周期的に空孔を加工した場合のスピン波伝播を、現象論的な観点から効率よく記述できる理論モデルの構築を行なった。このモデルでは磁性体は格子状に並んだ磁気モーメントによって表現され、それらのモーメントの間に周期構造に依存した主に磁気双極子相互作用に由来するトルクが働く。与えられた周期構造からどのような相互作用をモデルに含めるべきかに関する指針を与え、三角格子やハニカム格子状の周期空孔の場合に適切に対称性を下げればスピン波の分散関係に非相反性が生じることを具体的な計算で示すことができた。この際に長距離相互作用である磁気双極子相互作用のフーリエ変換を数値計算する必要があるが、その収束が非常に遅いためEwaldの方法と呼ばれる特殊な変換を施してから数値計算を行う計算コードを開発した。これらの結果をドイツカイザースラウテルンの実験グループに提供し、現在実際に試料作成が可能かどうかを検討してもらっている。これと並行して、関連した課題であるスピン波の非線形効果に関する研究を昨年度から継続して進めてきた。スピン波とマイクロ波空洞共振モードが結合している場合の非線形効果によってマイクロ波スペクトルが変更を受けるメカニズムを理論的に解明し、対応する実験とともにPhysical Review Lettersに発表した。またスピン波の非線形効果によって特定のスピン波モードの寿命が１桁以上長くなるメカニズムの理論的解明に貢献し、対応する実験結果をまとめた論文が現在Nature Physicsの査読を受けている。