米乐m6官方网站 成功控制和检测以波形式传播的磁振动的旋转方向

京都大学化学研究所盐田洋一副教授和小野辉雄教授领导的研究小组与米乐m6官方网站新原理计算研究中心研究组组长谷口智博和名古屋大学工学研究科教授森山隆宏合作，将两个磁体的磁极方向相反人造反铁磁体^注1)中，磁振动(磁力^注2))的旋转方向并电读取旋转方向。

反铁磁磁振子有两种不同的旋转模式，顺时针和逆时针，因此被称为磁振子旋转极性^注3)然而，由于普通反铁磁材料的磁极难以利用外场控制，因此从未有使用单个装置产生、传输和检测具有不同旋转极性的磁振子的例子。

在这项研究中，通过使用夹在铂（Pt）上下两侧的具有垂直磁化的人造反铁磁材料，我们能够根据激发微波的频率选择性地控制磁振子的旋转方向，并成功地通过自旋电流-电流转换现象来电检测传播磁振子的旋转方向。这一结果为使用磁振子的自旋器件的旋转极性提供了新的自由度。自旋电子学^注4)预计将对研究领域的发展做出巨大贡献。

该研究成果将于2024年11月20日发表在国际学术期刊《自然通讯

在自旋电子学中，它是自旋角动量的流动自旋电流^注5)是一个重要因素。磁振子是磁性材料中磁极的集体激发，已知是自旋电流的载体，并且由于它们可以携带自旋角动量而不移动电荷，因此有望应用于低功率自旋器件。磁振子是常见的铁磁材料，相对于磁场仅具有顺时针旋转模式。另一方面，磁振子是具有两个相反方向耦合的磁极的反铁磁材料，具有顺时针和逆时针旋转模式，因此可以为磁振子添加新的自由度：旋转极性。然而，由于普通反铁磁材料的磁极难以利用外场控制，因此从未有使用单个装置产生、传输和检测具有不同旋转极性的磁振子的例子。

在这项研究中，垂直磁化^注6)的磁性材料，并使用人造反铁磁材料，其中每个磁性层的磁极通过几个原子层的非常薄的钌（Ru）非磁性层以相反的方向耦合。与普通反铁磁体相比，人造反铁磁体具有GHz量级的自旋动力学，可以通过电测量，并且其共振频率和磁化方向可以通过外部磁场轻松控制。还有，在人造反铁磁材料的上层和下层自旋电流-电流转换^注7)将这种薄膜样品微加工成霍尔棒形状后，我们在远离霍尔棒端子的位置使用高频磁场创建了一个用于磁振子激励的天线（图 1）。

图2(a)显示了具有垂直磁化的人造反铁磁材料中磁振子响应外部磁场的共振频率。每种旋转模式都有不同的谐振条件，在一定的磁场条件下，谐振频率相同，但当施加外部磁场时，它们具有不同的谐振频率，通过选择合适的激励频率，可以选择性地激励两种旋转模式中的一种。

本研究还关注的是，顺时针和逆时针旋转模式下两个磁极的旋转幅度不同，如图2(b)(c)所示。可以通过与磁极旋转幅度较大的磁性层接触的非磁性层的自旋电流-电流转换现象来电检测磁振子。因此，通过在人造反铁磁材料的上层和下层中使用具有相同符号的自旋电流到电流转换效率的铂(Pt)，可以有效地检测磁振子的旋转方向。图2（d）显示了基于该原理的实验结果，其中当微波激励频率切换到136 GHz或180 GHz时，传播磁振子的检测到的电压的符号发生变化。

基于上述实验结果，我们在世界上首次成功地通过使用夹在铂（Pt）上下两侧之间的具有垂直磁化的人造反铁磁材料，在单个装置中演示了不同旋转极性磁振子的产生、传输和检测。

本研究中的实验主要在京都大学进行。 AIST研究人员建立了理论模型，并对数据分析做出了重要贡献。名古屋大学的研究人员为建立实验环境和解释数据做出了重要贡献。

这次演示开辟了一个新的自由度：磁振子的旋转极性。以光类比，这对应于左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，因此可以像光一样为反铁磁磁振子增加一个“偏振”控制的自由度，从而激发出迄今为止尚未受到关注的磁振子的潜在潜力。此外，本实验中使用的人造反铁磁材料薄膜具有普通反铁磁材料所没有的特性，例如易于通过微加工制成器件、易于通过外部磁场控制磁化排列、以及能够根据材料和薄膜厚度自由设计其物理特性。利用这些优势，我们希望在低功耗、多功能自旋器件（例如磁振子晶体管和基于磁振子的畴壁驱动器件）中找到应用。

部分研究得到科学研究补助金 (B) JP22H01936、JP23K23204、国际合作研究促进基金（海外合作研究）JP23KK0093、学术转化领域研究 (A) JP24H02233、基础研究 (S) 的支持JP20H05665，以及特别促进的研究。 JP24H00007”、村田科学振兴教育财团“研究补助金”、日本文部科学省“下一代X-NICS半导体创造中心形成项目JPJ011438”、京都大学化学研究所国际联合利用研究中心。

注1人造反铁磁材料

一种具有人造结构的反铁磁材料，其中两个磁性层的磁极通过非磁性层沿相反方向耦合。根据非磁性层的厚度，可以进行平行耦合或反平行耦合，在本研究中，设定钌膜的厚度以进行反平行耦合。[返回来源]

注释 2 Magnon

对自旋（微小磁体）进动在空间上移动并像波一样传播的现象（自旋波）的量子力学处理。[返回来源]

注3 旋转极性

旋转运动的极性。在共线反铁磁材料中，存在两个不同磁极的旋转方向均顺时针或逆时针旋转的共振模式。[返回来源]

注4自旋电子学

这一研究领域旨在通过结合电子的电特性（电荷）和磁特性（自旋）来创建现有电子产品中不具备的高性能和功能性设备。典型示例包括硬盘读取头、非易失性磁存储器 (MRAM) 和磁传感器中使用的隧道磁阻元件。[返回来源]

注5 自旋电流

自旋角动量相对于电流的流动，即电荷的流动。[返回来源]

注6 垂直磁化

磁性薄膜的磁化趋向一致的方向垂直于薄膜平面的状态。[返回来源]

注7 自旋电流-电流转换

由于材料内部的自旋轨道相互作用，在与自旋流垂直的方向上产生电流的现象。[返回来源]

标题：传播反铁磁磁振子的惯用手操纵
作者：Yoichi Shiota、Tomohiro Taniguchi、Daiju Hayashi、Hideki Narita、Shutaro Karube、Ryusuke Hisatomi、Takahiro Moriyama 和 Teruo Ono
已出版的杂志：自然通讯DOI：101038/s41467-024-54125-0