マグノニクス

マグノニクスは現代磁気学の新興分野であり、現代固体物理学のサブフィールドとみなすことができます。^[1]マグノニクスは波動と磁気の研究を組み合わせたものです。その主な目的は、ナノ構造要素におけるスピン波の挙動を調査することです。本質的に、スピン波は材料内の磁化の再配列の伝播であり、磁気モーメントの歳差運動から生じます。磁気モーメントは電子の軌道モーメントとスピンモーメントから生じ、ほとんどの場合、このスピンモーメントが正味の磁気モーメントに寄与します。

現代のハードディスクの成功を受けて、将来の磁気データストレージや、「マグノニック」ロジックやデータストレージなどにスピン波を使用することに現在大きな関心が寄せられています。^[2]同様に、スピントロニクスは、現代の電子機器で使用されている電子のすでに成功した電荷特性を補完するために、固有のスピン自由度を利用することを目指しています。現代の磁気学は、非常に小さい（サブマイクロメートル）長さスケールと非常に速い（サブナノ秒）時間スケールでの磁化の挙動の理解を深め、これを既存の技術やコンピューティングコンセプトの改善や新しい技術やコンピューティングコンセプトの生成にどのように適用できるかに関係しています。シンガポール国立大学の電気・コンピュータ工学部では、このような潜在的な用途に基づいてマグノントルクデバイスが発明され、後に完成され、その結果が2019年11月29日にScienceで発表されました。

マグノニック結晶は、交互の磁気特性を持つ磁性メタマテリアルです。従来のメタマテリアルと同様に、その特性はバンド構造や組成に直接起因するのではなく、幾何学的構造から生じます。小さな空間的不均一性により、効果的なマクロ的動作が生み出され、自然界では容易に見られない特性がもたらされます。相対透磁率や飽和磁化などのパラメータを交互させることで、材料内の「マグノニック」バンドギャップを調整できる可能性があります。このバンドギャップのサイズを調整することで、バンドギャップを横切ることができるスピン波モードのみが媒体を伝搬できるようになり、特定のスピン波周波数が選択的に伝搬されます。表面マグノンポラリトンを参照してください。

スピン波は、強磁性体や反強磁性体などの磁気秩序を持つ磁気媒体内を伝播します。磁化の歳差運動の周波数は、材料とその磁気パラメータに依存します。一般に、歳差運動周波数はマイクロ波で 1～100 GHz ですが、特定の材料の交換共鳴では、数 THz までの周波数が見られることもあります。このより高い歳差運動周波数は、アナログおよびデジタル信号処理の新たな可能性を切り開きます。

スピン波自体の群速度は、数 km/秒のオーダーです。磁性体におけるスピン波の減衰によっても、スピン波の振幅は距離とともに減衰します。つまり、自由に伝播するスピン波が移動できる距離は通常、数十 μm にすぎません。動的磁化の減衰は、ランダウ-リフシッツ-ギルバート方程式(LLG 方程式) のギルバート減衰定数によって現象的に説明されます。エネルギー損失のメカニズム自体は完全には理解されていませんが、微視的にはマグノン-マグノン散乱、マグノン-フォノン散乱、および渦電流による損失から生じることがわかっています。ランダウ-リフシッツ-ギルバート方程式は、磁化の「運動方程式」です。印加バイアス磁場、サンプルの交換、異方性、双極子磁場などの磁気システムのすべての特性は、ランダウ・リフシッツ・ギルバート方程式に入る「有効」磁場によって記述されます。磁気システムにおける減衰の研究は、現在も進行中の研究課題です。LL方程式は、有効磁場と減衰を伴う固体の磁化の歳差運動をモデル化するために、1935年にランダウとリフシッツによって導入されました。 ^[3]その後、ギルバートは減衰項を修正し、減衰が小さい限界では同じ結果が得られました。LLG方程式は、 ${\displaystyle \mathbf {M} }$${\displaystyle \mathbf {H} _{\mathrm {eff} }}$

${\displaystyle {\frac {\partial {\textbf {m}}}{\partial t}}\,=\,-\gamma \,{\textbf {m}}\times {\textbf {H}}_{\mathrm {eff} }\,+\,\alpha \,{\textbf {m}}\times {\frac {\partial {\textbf {m}}}{\partial t}}\,.\qquad }$

定数はギルバートの現象論的減衰パラメータであり、固体に依存し、電子磁気回転比である。ここで${\displaystyle \alpha}$${\displaystyle \gamma}$${\displaystyle {\textbf {m}}={\textbf {M}}/{\mathrm {M} _{S}}\,.}$

磁気の研究は、他の現代科学と同様に、理論的アプローチと実験的アプローチの共生によって行われています。両方のアプローチは密接に関連しており、実験は理論の予測をテストし、理論は新しい実験の説明と予測を提供します。理論面では、数値モデリングとシミュレーション、いわゆるマイクロマグネティックモデリングに重点を置いています。OOMMFやNMAGなどのプログラムは、適切な境界条件を使用してLLG方程式を数値的に解くマイクロマグネティックソルバーです。^[4]シミュレーションを開始する前に、サンプルの磁気パラメータと初期の基底状態の磁化とバイアスフィールドの詳細を指定します。^[5]

実験的には、磁気現象を研究するための多くの技術が存在し、それぞれに限界と利点があります。^[要出典]実験技術は、時間領域（光およびフィールドポンプ TR-MOKE）、フィールド領域（強磁性共鳴（FMR））、および周波数領域技術（ブリルアン光散乱（BLS）、ベクトルネットワークアナライザー - 強磁性共鳴（VNA-FMR））に区別できます。時間領域技術では、サンプルの分極応答を記録することにより、磁化の時間的変化を間接的に追跡できます。磁化は、いわゆる「カー」回転によって推測できます。FMR などのフィールドドメイン技術では、CW マイクロ波フィールドで磁化を刺激します。外部磁場をスイープしたときにサンプルを通過するマイクロ波放射の吸収を測定することにより、サンプル内の磁気共鳴に関する情報が得られます。重要なことは、磁化が歳差運動する周波数は、印加磁場の強度に依存することです。外部磁場の強度が増加すると、歳差周波数も増加します。VNA-FMR などの周波数領域技術は、RF 電流による励起による磁気応答を調べ、電流の周波数を GHz 範囲で掃引し、送信電流または反射電流の振幅を測定できます。

現代の超高速レーザーは、時間領域技術のためのフェムト秒（fs）の時間分解能を可能にし、そのようなツールは現在、実験室環境で標準となっています。^{[要出典] TR-MOKEは、}磁気光学カー効果に基づいて、パルスレーザー光源が2つの別々のレーザービームでサンプルを照射するポンププローブ技術です。「ポンプ」ビームは、サンプルを平衡状態から励起または摂動するように設計されており、サンプル材料内に高度に非平衡な状態を作り出すように非常に強力に設計されており、電子を励起し、それによってフォノンとスピンシステムを励起します。高エネルギーのスピン波状態が励起され、その後、緩和経路中に低い状態を占めます。「プローブ」ビームと呼ばれるはるかに弱いビームは、マグノニック材料の表面でポンプビームと空間的に重ね合わされます。プローブビームは遅延線に沿って通過します。これは、プローブ経路長を増やす機械的な方法です。プローブの経路長を長くすると、ポンプビームに対して遅延し、サンプル表面に到達する時間が遅くなります。遅延距離を変更することで、実験で時間分解能を構築できます。遅延線の位置が段階的に変化すると、反射ビームの特性が測定されます。測定されたカー回転は、スピン波が媒体内を伝播する際の動的磁化に比例します。時間分解能は、レーザーパルスの時間幅によってのみ制限されます。これにより、超高速光学系を局所スピン波励起と接続し、マグノニックメタマテリアル、フォトマグノニクスにおける非接触検出が可能になります。^{[6] [7]}

2009 年以来、「マグノニクス」会議は 2 年ごとに開催されています。次回の会議は、2025 年 7 月から 8 月にかけて、スペインのマヨルカ島カラミラーで開催されます。

• 「スピントロニクスに代わる、エレクトロニクスを救うマグノニクスの登場」IEEE Spectrum: テクノロジー、エンジニアリング、科学ニュース。 2017年4月17日閲覧。