Exploration of non-linear magnonics and magnon squeezing by magnetization state tomography

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本研究では微細加工と非線形相互作用により磁気励起状態を操作することで、マグノン状態のノイズ分布を制御し、スピントロニクス機能創出への有益性を実験的に検証することを目的とする。本年度は、マグノンの寿命が長いことで知られるいくつかの磁性体を用いて、微細素子を作成するとともに、マグノンの非線形励起と、その状態制御を行った。磁性体中のマグノンは、磁化歳差運動の素励起であり、本研究で主要な役割を担う現象である。磁化の歳差運動には磁化そのものが生じる反磁場が反映されるため、強い非線形性を持つことが知られている。例えば、薄膜磁性体を用いると、膜厚方向に生じる強い反磁場に影響されて磁化歳差運動の軌道がゆがみ、磁化の外部磁場方向成分が時間的に振動する。このため、外部磁場と平行な方向の振動磁場を加えると振動磁場の半分の歳差運動を生じる、パラメトリック発振が起こる。この時、発振する歳差運動の位相は、外部振動磁場に対して0かπの二通りのみを取ることが知られている。このためパラメトリック発振では、熱揺らぎのうち、位相０もしくはπを持つ揺らぎだけが選択的に増幅されて、発振に至るダイナミクスを示す。このプロセスはまさにノイズ分布が変調される過程であり、本研究の中核となる非線形過程となっている。このような非線形相互作用により生じたノイズ分布は、位相空間上の確率分布関数を得ることで観測できる。状態トモグラフィ法は、実験的に対象の系の確率分布関数を取得する手法であり、本研究ではスピン流測定を用いてこれを実現している。本年度は磁性金属でのパラメトリック発振を直接観測し、ノイズ分布の制御に成功した。反磁場に起因するパラメトリック発振は、磁化の大きさや異方性によって変調されるため、材料ごとに制御性が異なると考えられる。研究では金属磁性体を用いることで、より安定した位相状態の制御が可能であることを示した。