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）已经证明了使用自旋波量子干扰元件的超敏感磁性传感器，该元件使用自旋波量子干扰元件使用高度敏感的磁检测。典型的自旋波传播材料的固有噪声，石榴石氧化铁Y3FE5O12：YIG，在室温下为10-15t/√Hz（γ，V，M是磁旋转比，磁性体积，磁化），与Squid 310×10-15t/√Hz相当。此外，参考Niimi等人的数据。 （PRL，2015年），估计自旋波干扰装置的理论磁场灵敏度为ATTOT（10-18 T）。 Based on these findings, a ferrimagnetic dielectric (garnet-type iron oxide Ln3Fe5O12 thin film was formed by a PLD non-balanced material synthesis technique, and a spin wave (spin angle momentum) interference element was fabricated to perform magnetic detection. As a result, unlike existing magnetic sensors (Hall elements and magnetic tunnel resistance elements), there is no electron transport, so thermal noise is reduced, and成功检测到了NT水平的高灵敏度（使用COFEB/Y3FE5O12谐振器增强磁性传感器”，科学报告，12，11105（1-8）（2022））（2）为了在室温环境中检测到高度检测的信息，该信息是在室内设计的，该信息是在室温下融合了一个信息进行处理以在低水平的能量（即环境波动）上进行随机运行，并根据此想法进行超高敏感传感器的设备设计。 （Chaos soliton＆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

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

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

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