慶大ら,音波を用いた磁気回転効果を発見

慶應義塾大学,中国科学院大学の研究グループは,磁石に音波を注入すると,磁気回転効果により,磁気の波「スピン波」が発生することを発見した(ニュースリリース)。

磁気回転効果は,物質の磁気の源が電子の回転運動であることを示す歴史的にも重要な現象だが,その効果はとても小さく,物質の磁気制御が不可欠なスピンデバイスへの応用が不可能とされていた。

今回,研究グループは,音波によって銅に生成されるスピン流の強度から音波の磁気回転効果を磁場に換算したところ,原子が1秒間に10億回以上局所回転するレイリー波と呼ばれる音波が地磁気の10万倍以上の磁場を発生することを把握し,これを直接磁性体に使うことによって,大きな磁気回転効果が発現するのではないかとの着想に至り,実験を行なった。

特定の振動周波数と波長を持つレイリー波のみが伝搬できるSAWフィルター素子を作製し,レイリー波の放射アンテナと,検出アンテナの間にニッケル鉄合金を貼り付けた。レイリー波がニッケル鉄合金に注入されると,原子が高速に回転し,磁気回転効果によりニッケル鉄合金の磁気が振動してスピン波が励起される。

研究グループは,外部磁場によりレイリー波とスピン波の周波数を一致させたとき,レイリー波の振幅が大きく変化することを発見した。これは,レイリー波のエネルギーの一部が,スピン波の励起に利用されたことを示しており,音波の磁気回転効果の決定的な証拠となる。

さらに,スピン波の強度がレイリー波の周波数(原子の回転周波数)の4乗に比例して増加し,磁気弾性効果を用いた場合よりもレイリー波の高周波化によるスピン波励起の増幅率が大きいことがわかった。

この研究で発見した音波を用いた磁気回転効果は,回転運動の保存則に基づく普遍的な効果であり,磁石の性質とは無関係なので,すべての最先端磁気デバイスに応用することが可能となるという。

ジュール熱を伴う電流に比べてエネルギー損失の少ない音波を用いたスピンデバイス動作に大きく道を拓くものであり,スピンデバイス(MRAMをはじめとするスピンメモリ,スピン波を用いた論理演算デバイスなど,省電力・高速動作を必要とする人工知能回路の基本構成部品)の大幅な省電力化の実現につながるとしている。

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