理化学研究所,日本原子力研究開発機構,東京大学,科学技術振興機構（ＪＳＴ）

令和５年１０月２６日

理化学研究所
日本原子力研究開発機構
東京大学
科学技術振興機構（ＪＳＴ）

磁石によるうろこ模様で回る音波を制御

～人工格子デザインで「左回り」「右回り」の読み出しに成功～

理化学研究所（理研） 創発物性科学研究センター 量子ナノ磁性研究チームのホルヘ・プエブラ 研究員、東京大学 物性研究所のリーヤン・リャオ 大学院生、大谷 義近 教授（理研 創発物性科学研究センター 量子ナノ磁性研究チーム チームリーダー）、日本原子力研究開発機構 先端基礎研究センターの山本 慧 研究副主幹（科学技術振興機構（ＪＳＴ） さきがけ研究者、理研 開拓研究本部 柚木計算物性物理研究室 客員研究員）らの共同研究グループは、基板の表面に磁石を用いたうろこ状の周期的な模様（パターン）を形成することで、その表面を伝わる音波に「バレー」（ｖａｌｌｅｙ、谷）と呼ばれるある種の回転状態を与え、磁場によって、その「バレー音波」の左回りと右回りを区別して制御できることを明らかにしました。

本研究成果は、バレー音波の回転状態に０と１のビットを割り振ることで、省エネルギーで過酷環境でも動作する新たな情報処理デバイスの開発に貢献すると期待されます。

今回、共同研究グループは、固体表面に磁石の正三角形パターンを周期的に敷き詰めた構造を作製しました。この表面を伝わる音波は三角形を左回りするか右回りするかに対応した「バレー自由度」を獲得します。磁場をかけることによって時間反転対称性を破ることにより左右のバレーを区別することが可能になり、片方のバレー音波だけが優先的に表面を透過する状況を実現しました。バレー自由度はこれまで自然界に存在する結晶材料で研究されてきましたが、その制御は非常に困難でした。本研究の人工的にデザインされた格子によるバレー制御の実証は、バレーの技術応用に向けた大きな進歩であるといえます。

本研究成果は、科学雑誌「Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ」オンライン版（現地時間２０２３年１０月２３日付）に掲載されました。

本研究は、日本学術振興会（ＪＳＰＳ） 科学研究費 助成事業基盤研究（Ｓ）「コヒーレント磁気弾性強結合状態に基づく高効率スピン流生成手法の開拓（研究代表者：大谷 義近）」、同若手研究「マグノニック結晶におけるスピン波非相反性に関する理論研究（研究代表者：山本 慧）」、同基盤研究（Ｂ）「力学回転とスピンの相互変換（研究代表者：前川 禎通）」、同特別研究員奨励費「対称性の破れた超格子におけるボゾン磁気輸送（研究代表者：Ｌｉｙａｎｇ Ｌｉａｏ）」、および科学技術振興機構（ＪＳＴ） 戦略的創造研究推進事業 さきがけ「トポロジカル材料科学と革新的機能創出」の研究課題「非相反表面波：材料科学に使えるアノマリー（研究代表者：山本 慧）」、同ＣＲＥＳＴ「実験と理論・計算・データ科学を融合した材料開発の革新」の研究課題「ナノ構造制御と計算科学を融合した傾斜材料開発とスピンデバイス応用（研究代表者：能崎 幸雄）」、「量子状態の高度な制御に基づく革新的量子技術基盤の創出」の研究課題「ナノスピン構造を用いた電子量子位相制御（研究代表者：永長 直人）」、「情報担体を活用した集積デバイス・システム」の研究課題「非古典スピン集積システム（研究代表者：齊藤 英治）」、ならびにＬＡＮＥＦ（Ｌａｂｏｒａｔｏｉｒｅ ｄ’Ａｌｌｉａｎｃｅｓ Ｎａｎｏｓｃｉｅｎｃｅｓ－Ｅｎｅｒｇｉｅｓ ｄｕ Ｆｕｔｕｒ）のＣｈａｉｒ ｏｆ Ｅｘｃｅｌｌｅｎｃｅ採択課題”ＱＳＰＩＮ－Ｑｕａｎｔｕｍ ｓｐｉｎｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ ｉｎ ｍａｇｎｏｎ－ｐｈｏｎｏｎ ｃｏｕｐｌｅｄ ｓｙｓｔｅｍｓ”（研究代表者：大谷 義近）と理研 戦略的パートナー連携事業「単一励起マグノン・フォノントランスデューサーの開発」による助成を受けて行われました。

＜プレスリリース資料＞

＜論文タイトル＞

“Valley-Selective Phonon-Magnon Scattering in Magnetoelastic Superlattices”
ＤＯＩ：10.1103/PhysRevLett.131.176701

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