2023年10月26日
理化学研究所，日本原子能研究开发机构
东京大学
科学技术振兴机构
理化学研究所(理研)创发物性科学研究中心量子纳米磁性研究小组研究员豪尔赫普埃布拉、东京大学物性研究所研究生李彦廖、大谷义近教授(理研创发物性科学研究中心量子纳米磁性研究小组组长)、 日本原子能研究开发机构尖端基础研究中心的山本慧研究副主干(科学技术振兴机构( JST )先驱研究者、理研开拓研究总部柚木计算物性物理研究室客座研究员)等共同研究小组通过在基板表面形成使用磁铁的鱼鳞状周期性图案(图案)， 明确了对在其表面传播的声波赋予被称为“谷”的某种旋转状态，通过磁场可以区别控制该“谷声波”的左旋和右旋。 通过将0和1的位分配给谷声波的旋转状态，本研究成果将有望为开发节能且在恶劣环境下也能工作的新信息处理设备做出贡献。 这次，联合研究小组制作了在固体表面周期性铺满磁铁正三角形图案的结构。 在这个表面传播的声波获得了与三角形左转还是右转相对应的“谷自由度”。 通过施加磁场打破时间反转对称性[1]，可以区分左右谷，实现了只有一个谷声波优先透过表面的情况。 谷自由度一直以来都是用自然界中存在的晶体材料进行研究的，但其控制非常困难。 本研究通过人工设计的格子进行的谷控制的实证，可以说是向谷的技术应用的巨大进步。 本研究成果刊登在科学杂志《Physical Review Letters》在线版( 10月23日)上。
作为旋转方向选择项的谷自由度与时间反转对称性的关系
物理现象存在着各种各样的二值性，例如电极的正负和磁铁的n极·s极等到处都有应用。 特别是通过将0和1作为位分配给这些性质，在CPU和存储器等运算存储装置中实现了信息处理。 由于石墨烯[2]的发现，被称为谷的新的二值性得到了认可。 谷是只出现在像结晶一样具有周期性结构的材料中的现象，在那里传播的波的种类实际上会增加两倍。 例如，石墨烯中的电子波和变形疏密波具有两个“谷自由度”，可以认为谷对应的两种状态分别是左旋和右旋的某种旋转波。 向石墨烯施加电压时会有电流流动，实际上该电流由左旋和右旋两种电子流构成。 但是由于包含等量的右旋和左旋电子，旋转相互抵消，在电流中不会出现。 为了区分旋转的左右，需要进行磁性测量。 物理学家在实验上对该谷自由度进行了分离观测，并对每个旋转方向分别进行了控制的研究。 这不仅是因为直接确认存在谷自由度具有基础性的重要性，也期待这种新的二值性将来有可能对信息处理有所帮助。 但是，我们发现用石墨烯等自然界中存在的结晶材料进行实验很困难。 其原因在于，谷自由度出现的波的波长与晶体周期相对应，只有1纳米( nm、1nm为10亿分之一米)左右以下，非常小。 另一方面，谷自由度在应用上的优点是，只要具有周期结构，无论波的种类如何，都可以根据共同的原理进行运用，如果在其他材料系统中也能实现，则有扩大新的利用可能性的余地。
联合研究小组着眼于，通过使用人工制作的周期结构制作谷自由度，可以在比结晶材料更容易控制的1微米( μm，1μm为百万分之一米)左右的波长区域进行实验。 选择沿固体表面传播的表面声波作为目标波。 表面声波在智能手机等中作为电波的滤波器被应用，通过在材料表面配置极薄的金属膜，可以精密控制其性质。 在这次的研究中，我们使用磁铁镍膜(在厚度20nm的镍上钛的保护层15nm )制作了如图1所示的鱼鳞型图案的周期结构(三角格子)。 基板使用的是压电体[3]铌酸锂，使用配置在图案区域左右的电极测量表面声波透过周期结构时的透射率。 从图案外部入射的波是平面波，具有与行进方向垂直的波面。 该平面波根据图案向各个方向散射，通过使波长与图案结构的周期一致，设计为只有沿正三角形的边方向传播的波会因干涉而增强并生存下来(图2a )。 这样，从左到右透过图案结构的声波可以调整为具有左旋正三角形(将其称为左谷)的波阵面，从右到左透过的声波具有右旋(将其称为右谷)的波阵面。 这种左右旋转的波阵面的区别被称为谷自由度，在图案加工的区域中，表面声波实际上增加到了2种。 图案区域中的这两种旋转状态在未进行表面加工的区域中分别转换为左右传播的波，因此可以通过分别测量左右的透过率，分离谷自由度进行调查。
图1实验设置示意图 在基板表面制作了使用检测表面声波发生的两用电极和磁铁镍的三角格子。 入射到三角格子的声波被散射吸收并衰减后，作为透射波被观测。
在过去的研究中，这种三角晶格是由非磁性金属制作的，这时谷对应的声波的左右2状态的性质变得等价。 结果，在透射率测量中，无论是从左入射还是从右入射，透射率都相同。 因为与左谷和右谷对应的声波的旋转方向是相反的，所以和逆转了各自的时间的声波完全重合。 这种性质称为时间反转对称性。 磁性具有打破这个时间正反方向对称性的性质。 例如，如果镍的磁化(表示磁铁强度的矢量)朝向与面垂直的方向，则左谷声波和右谷声波的干涉效果会产生差异，如果只是逆转时间，相互就不会重叠(图2b )。 将谷的物理、磁和对称性的关系，以及表面声波的控制技术各自的知识适当地组合起来，通过用磁铁制作产生谷自由度的三角格子，赋予左谷和右谷的性质以控制两种状态，这一点是这次研究的重点。
图2声波谷自由度与透射率的关系 ( a )入射到三角格子的声波会向各个方向散射，但通过适当调整波长，可以形成只有正三角形边方向的散射波因干涉而相互加强的状况。 此时，从左入射的声波形成左旋的波阵面，从右入射的声波形成右旋的波阵面，它们根据时间反转对称性具有完全等效的性质。 ( b )施加磁场时，时间反转对称性会被破坏，可以形成只有具有右旋波前的声波被磁铁强烈吸收的情况。
图3显示了表面声波透过率测量的结果。 纵轴是用总透过率将从向左透过的声波的振幅中减去向右透过的声波的振幅后的量标准化后的值。 两个谷自由度等价时为零。 横轴是从外部施加的磁场值。 磁场为零时，由于镍没有磁化，左右旋转运动呈时间反转对称，结果左右透过率之差也为零。 施加磁场会使镍磁化，破坏时间反转对称性。 通过三角晶格传播的谷声波通过镍的磁化和磁弹性耦合[4]相互作用，但右谷和左谷声波与磁化的耦合强度不同。 例如，在垂直于面的方向磁化时，右谷声波比左谷声波更强地与磁化耦合，因此会被磁铁更强地吸收。 因此，向左的透过率小于向右的透过率。 如果改变磁场的符号，磁化方向也会反转，左转的耦合变强，透过率的大小关系也会反转。
图3表面声波透过率差的磁场依赖性的测定结果 纵轴是被适当标准化的透过率之差，是从左右入射的声波不等价程度的指标。 横轴是从外部施加的磁场值，磁场符号的正负和旋转方向是对应的，因此透过率的差也根据磁场的正负而改变符号。
该结果表明，通过组合三角晶格结构和磁性体的磁场控制，可以根据磁场选择表面声波的谷自由度，将某一方的谷声波作为透过率之差进行检测。 这可以说是在人工制作的周期结构中实现谷控制的第一个例子。 在本研究中，通过着眼于使用表面声波和磁铁的人工周期结构的组合，设计并验证了能够通过外部磁场中的表面声波透过率测量来实现在自然界中存在的晶体材料中非常困难的谷自由度的分离观测和控制的装置。 与以往的研究相比，可以用简单的方法明确区分谷，左右谷分离机制也与理论模型很好地吻合，可以说是将谷控制的理解向前推进了一大步的研究成果。
作为信息处理中0和1的承担者，与电和磁的自由度进行比较时，谷的自由度的优点是无论什么样的波，只要顺利准备周期结构，原则上就可以利用。 这次的研究用表面声波证实了这一点，但是声波与电流和磁波相比能量损失小，有可能有助于节能化。 与依赖导电性的金属和半导体相比，即使是绝缘体，可利用的声波也不易受到热和放射线的影响，因此也适合在恶劣环境下使用。 谷自由度的利用还处于原理实证阶段，可能需要时间才能应用。 但是，如果在本研究成果的基础上，今后进一步设计出经过改进的周期结构，将会实现各种各样的旋转波吧。 可以认为从其中会发展出实用性的技术，今后的展开备受瞩目。
1 .时间反转对称性 物理定律中最基本的对称性之一。 据说，当颠倒时间方向而物理定律的形状不变时，该定律具有时间反转对称性。 例如，在只有电场存在的空间中运动的电子的运动方程具有时间反转对称性。 但是，在也存在磁场的情况下，作为作用于电子的力，会施加洛伦兹力。 洛伦兹力与电子的速度成正比，但速度如果逆转时间，符号会发生变化，因此磁场会破坏电子运动的时间反转对称性。 2 .石墨烯 具有由碳原子组成的蜂巢型结晶结构的片状(二维)物质。 2004年发现石墨的多层结构可以用透明胶带薄薄地剥离到1层原子，成为2010年诺贝尔物理学奖的对象。 作为二维材料的模型物质，现在也在积极地进行研究。 3 .压电体 施加电压时会产生膨胀收缩或应变等变形的特殊物质。 使用压电体，可以制造将电信号和力学振动(即声波)相互转换的元件。 4 .磁弹性耦合 作为在固体中承担磁化的微观磁铁的电子自旋，响应固体变形引起的其分布和周边环境的变化而改变方向。 另外，作为反作用，当磁化方向改变时，固体会微小变形。 这种变形和磁化的相互作用称为磁弹性耦合。 众所周知，任何磁铁都存在磁弹性键，但镍会比较大。
本研究在理化学研究所的实验装置的开发、试样制作、测量和数据获取方面发挥了中心作用。 用于分析实验数据的理论的构建和运用由日本原子能研究开发机构主导进行。 东京大学物性研究所在实验的构想、实验数据的分析方面做出了很大的贡献。 理化学研究所创发物性科学研究中心 量子纳米磁性研究小组 研究员豪尔赫普埃布拉( Jorge Puebla ) 研究员俊勇金( Junyeon Kim ) 特别研究员优巴( You Ba ) 强相关理论研究小组 客座主管研究员前川祯通 东京大学物性研究所 研究生李彦廖( Liyang Liao ) (研究生院新领域创成科物质系专业博士过程1年) 研究生尹永旺( Yunyoung Hwang ) (研究生院新领域创成科物质系专业博士过程3年) 教授大谷义近 (理研创发物性科学研究中心量子纳米磁性研究小组组长) 日本原子能研究开发机构尖端基础研究中心 自旋-能源科学研究组 研究副主管山本慧 ( JST先驱研究者、理研开拓研究总部柚木计算物性物理研究室客座研究员)
本研究基于日本学术振兴会( JSPS )科学研究费资助事业基础研究( s )“开拓基于相干磁弹性强耦合状态的高效自旋流生成方法(研究代表者:大谷义近)”，该年轻研究“关于马格尼克晶体中自旋波非互易性的理论研究(研究代表者:山本慧) 同基础研究( b )“力学旋转与自旋的相互转换(研究代表者:前川祯通)”，同特别研究员奖励费“对称性破缺的超晶格中的玻色子磁输运(研究代表者: Liyang Liao )”， 及科学技术振兴机构( JST )战略性创造·研究推进事业的先驱“拓扑材料科学和创新功能创造”的研究课题“非相反表面波:可用于材料科学的坛紫菜(研究代表者:山本慧)”、 该CREST“融合了实验和理论、计算、数据、科学的材料开发创新”的研究课题“融合了纳米结构控制和计算科学的倾斜材料开发和自旋器件应用(研究代表者:能崎幸雄)”、 “基于量子态高级控制的创新量子技术基础的创造”的研究课题“使用纳米自旋结构的电子量子相位控制(研究代表者:永长直人)”、“利用信息载体的集成器件系统”的研究课题“非经典自旋集成系统(研究代表者:斋藤英治)”、 及lanef ( laboratoire d ' alliances nanoscience s-energies du futur )的Chair of Excellence选择课题" QS pin-quantum spin conversion funcon " 由honon coupled systems " (研究代表:大谷义近)和理研战略合作伙伴合作事业“开发单激励声子换能器”资助进行。
Liyang Liao, Jorge Puebla, Kei Yamamoto, Junyeon Kim, Sadamichi Maekawa, Yunyoung Hwang, You Ba, and Yoshichika Otani, "Valley-Selective Phonon-Magnon Scattering in Magnetoelastic Superlattices", Physical Review Letters, 10.1103/PhysRevLett.131.176701
理化研究所 创发物性科学研究中心量子纳米磁性研究小组 研究员豪尔赫普埃布拉( Jorge Puebla ) 东京大学物性研究所 研究生李彦廖( Liyang Liao ) (研究生院新领域创成科物质系专业博士过程1年) 教授大谷义近 (理研创发物性科学研究中心量子纳米磁性研究小组组长) 日本原子能研究开发机构尖端基础研究中心 研究副主管山本慧 ( JST先驱研究者、理研开拓研究总部柚木计算物性物理研究室客座研究员)
理化研究所宣传室新闻发言人 日本原子能研究开发机构宣传部新闻科 Tel: 029-282-0749 Email: sato.akio [at] jaea.go.jp 东京大学物性研究所宣传室 Tel: 04-7136-3207 email:press [ at ] issp.u-Tokyo.AC.jp 科学和技术振兴机构宣传科 tel:03-5214-8404 /传真: 03-5214-8432 Email: jstkoho [at] jst.go.jp
科技振兴机构战略研究推进部绿色创新组 安藤裕辅 tel:03-3512-3526 /传真: 03-3222-2064 Email: presto [at] jst.go.jp ※请将上述[at]替换为@。
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