【公開日：2023.08.01】【最終更新日：2023.05.29】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
22NU0226
利用課題名 / Title
非空間反転対称磁性体の作製と新規スピン光機能の探索
利用した実施機関 / Support Institute
名古屋大学
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
蒸着・成膜/Evaporation and Deposition,スパッタリング/Sputtering,リソグラフィ/Lithography,EB,膜加工・エッチング/Film processing and Etching,スピン制御/ Spin control,スピントロニクス/ Spintronics,フォトニクス/ Photonics
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
松原 正和
所属名 / Affiliation
東北大学大学院理学研究科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
加藤剛志,大島大輝,本田杏奈
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）共同研究/Joint Research（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
NU-206：電子線露光装置
NU-213：8元マグネトロンスパッタ装置
NU-215：ECR-SIMSエッチング装置
NU-204：原子間力顕微鏡
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
光の波長より十分に小さな構造を持つ人工物質（メタマテリアル）を用い、自然界に存在する物質では実現できない光学応答を生み出すことが可能となっている。現在、メタマテリアルを用いた光－物質機能の制御は非線形光学応答の領域にまで拡大してきており、このような「非線形メタマテリアル」の開発は新規光－物質機能の開拓に向け大きな可能性を秘めている。本研究では、非線形メタマテリアルを用いた新規なスピン光機能を開拓するために、名古屋大学微細加工プラットフォームの設備を利用して、空間反転対称性の破れを人工的に導入した非反転対称磁性メタマテリアルを作製し、その機能の検証を行った。
実験 / Experimental
マグネトロンスパッタ、電子線露光装置、エッチング装置を用いて、空間反転対称性の破れを導入した磁性メタマテリアルを作製した。また、原子間力顕微鏡（AFM）などを用い、試料の評価を行った。
結果と考察 / Results and Discussion
垂直磁化を持つ強磁性金属として知られているCo/Pt多層膜に、数百ナノメートル周期の構造を描画した。作製した試料の典型的な原子間力顕微鏡像（Fig. 1）が示すように、非反転対称な3回回転対称構造を有する磁性メタマテリアルをほぼ設計通り作製することに成功した。これらの試料を用い、ドイツ・レーゲンスブルク大学との国際共同研究を進め、（外場を印加することなく）赤外光照射のみによりスピン偏極電流の生成と方向制御が可能であることを確かめた（現在、論文投稿中）。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
AFM image of artificial noncentrosymmetric magnets.
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
共同研究者：加藤剛志 教授、大島大輝 助教、本田杏奈 技術補佐員（すべて名古屋大学）
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
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Masakazu Matsubara, Polarization-controlled tunable directional spin-driven photocurrents in a magnetic metamaterial with threefold rotational symmetry, Nature Communications, 13, (2022).
DOI: 10.1038/s41467-022-34374-7
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Daiki Sekine, Nonlinear optical detection of mesoscopic magnetic toroidal dipoles, Applied Physics Letters, 120, (2022).
DOI: 10.1063/5.0089235
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- (1) M. Matsubara, “Nonlinear optical effects in magnetic metamaterials” The 6th A3 Metamaterials Forum, 令和4年6月28日．
- (2 )小柳恭徳, 関根大輝, 松原正和, “非線形光学によるナノ空間の対称性マッピング” 日本物理学会2022年秋季大会, 令和4年9月13日．
- (3) D. Sekine, T. Sato, Y. Tokunaga, T. Arima, and M. Matsubara, “Real space imaging of multipolar domains in MnTiO3” 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」令和4年度領域研究会, 令和4年12月．
- (4) 関根大輝, 佐藤樹, 徳永祐介, 有馬孝尚, 松原正和, “光第二高調波発生を用いた多極子ドメインの実空間観察” 東北大学理学・生命科学研究科合同シンポジウム2023, 令和5年2月17日．
- (5) 竹谷英久, 加藤剛志, 松原正和, “極性強磁性メタマテリアルにおけるゼロバイアス光電流の生成” 日本物理学会2023年春季大会, 令和5年3月22日．
- (6) 関根大輝, 佐藤樹, 徳永祐介, 有馬孝尚, 松原正和, “MnTiO3における多極子ドメインの非線形光学イメージング” 日本物理学会2023年春季大会, 令和5年3月24日．
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：1件