経産省先端技術講演会
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スピンエレクトロニクスと 光スピニクス PowerPoint PPT Presentation


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経産省先端技術講演会 2002.2.22. スピンエレクトロニクスと 光スピニクス. 東京農工大学 工学部物理システム工学科 佐藤勝昭. 佐藤勝昭紹介. 1966京大修士修了 1966-1984日本放送協会 1966-1968大阪中央放送局 1968-1984放送科学基礎研究所物性研究部 1984東京農工大学工学部助教授 1989 同教授(現在に到る). 佐藤研究室の研究テーマ. 佐藤研究室は森下研究室とともに 「量子機能工学」 という研究分野を分担しています。 佐藤勝昭教授、石橋隆幸助手 の関心をもっている研究テーマを、学生とともに進めています。

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スピンエレクトロニクスと 光スピニクス

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Presentation Transcript


4784440

経産省先端技術講演会2002.2.22

スピンエレクトロニクスと光スピニクス

東京農工大学

工学部物理システム工学科

佐藤勝昭


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佐藤勝昭紹介

  • 1966京大修士修了

  • 1966-1984日本放送協会

    • 1966-1968大阪中央放送局

    • 1968-1984放送科学基礎研究所物性研究部

  • 1984東京農工大学工学部助教授

  • 1989 同教授(現在に到る)


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佐藤研究室の研究テーマ

  • 佐藤研究室は森下研究室とともに「量子機能工学」という研究分野を分担しています。

  • 佐藤勝昭教授、石橋隆幸助手の関心をもっている研究テーマを、学生とともに進めています。

  • 佐藤教授のこれまで行ってきた研究は、磁性半導体、三元化合物半導体、化合物磁性体、磁性金属磁性体、磁性体ナノ構造の作製と光学的な研究です。特に、磁気光学効果研究の専門家として知られており、「光と磁気」は、この分野の標準的教科書です。最近は、室温磁性半導体の研究にも取り組んでいます。

  • 石橋助手は酸化物高温超伝導体の薄膜作製とエレクトロニクス素子の作製にとりくんでいます。


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佐藤勝昭の著書

  • 専門である「光と磁気」、応用物性に関するいくつかの教科書のほか総計30冊の著書があります。(分担執筆含む)


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実験室風景:もの作り系1

  • MBE装置を使って酸化物高温超伝導体や磁性半導体の薄膜を作製します。


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実験室風景:もの作り系2

  • 電子ビームリソグラフィや

  • 集束イオンビーム装置

     を使って磁性体ナノ構造を作っています。


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実験室風景:もの作り系3

スパッタ法や電子ビーム蒸着法で磁性体薄膜を作ります。


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実験室風景:評価系1

←VSM装置で物質の磁化を測定します。

  • 磁気光学スペクトル測定装置を使って磁性体の電子構造などを調べています。→


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実験室風景:評価系2

AFM

  • AFMやSEMを使ってナノメートル領域の表面を観察します。

VBLにあるFE・SEM


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実験室風景:評価系3

  • 100フェムト秒という超短パルスレーザを用いて非線形磁気光学の実験をしています。


Contents

Contents

  • はじめに:いま磁性が面白い

  • 磁性の基礎

  • スピン・エレクトロニクス

  • 光スピニクス

  • ナノテクノロジーとスピニクス

  • まとめ


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1. いま磁性が面白い

  • 磁気現象と電気伝導現象が結びついた

  • 電子がもつ2つの顔:電荷とスピン

  • ハードディスクに飛躍をもたらしたGMR

  • MRAMを産んだスピン依存トンネル効果

  • 層間の磁気的つながりが距離で変わる

  • スピンを電気的に制御できる「磁性半導体」

  • 磁性体から非磁性体にスピンを注入する

  • 高速性を目指して:スピンダイナミクス

  • 光磁気がハードディスクの限界を救う


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2.磁性の基礎

  • 電子のもつ2つの顔

  • 局在電子磁性と遍歴電子磁性

  • 強磁性、反強磁性、ハーフメタル


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電子が持つ2つの顔:電荷とスピン

  • 電子は電荷eをもつと同時にスピン磁気モーメントをもっている。

電気伝導

q=e

sz=1/2

磁性


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局在電子磁性と遍歴電子磁性

  • 絶縁性磁性体:3d電子は格子位置付近に局在

    • 格子位置に原子の磁気モーメント:交換相互作用でそろえ合うと強磁性が発現

  • 金属性磁性体:3d電子は混成して結晶全体に広がりバンドをつくる(遍歴電子という)

    • 多数スピンバンドと少数スピンバンドが交換分裂で相対的にずれ→フェルミ面以下の電子数の差が磁気モーメントを作る

  • ハーフメタル磁性体:多数スピンは金属、小数スピンは半導体→フェルミ面付近のエネルギーの電子は100%スピン偏極


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局在磁性モデル

強磁性

J>0

常磁性

反強磁性

J<0

交換相互作用

H=-JS1S2


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バンドと磁性

Ef

Ef

Ef

交換分裂

通常金属

ハーフメタル

強磁性金属


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3.スピンエレクトロニクス

  • 金属磁性体の接合を用いた巨大磁気抵抗効果(GMR)

  • 絶縁体超薄膜を金属磁性体ではさんだ磁気トンネル接合によるトンネル磁気抵抗効果(TMR)

  • 半導体スピンエレクトロニクス

    • 非磁性半導体のスピン現象

    • 磁性半導体、希薄磁性半導体


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10年で100倍

10年で10倍

ハードディスクの高密度化とGMRヘッド

GMRヘッドによる


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層間 結合系の巨大磁気抵抗効果( GMR )

MR ratio

R(H)/R(0)

  • スピン依存散乱

Fe

Cr

Baibich et al.: PRL 62 (88) 2472

H (kOe)


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GMR 振動と層間結合

Co/Cu superlattice

MR ratio (%)

Cu thickness (Å)

Mosca et al.: JMMM94 (91) L1


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非結合系のGMR

  • ソフト磁性体とハード磁性体との3層構造

M

自由

NiFe

Cu

MR

固定

Co

Shinjo et al.: JPSJ 59 (90) 3061

H (Oe)


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スピンバルブ

  • NiFe(free)/Cu/NiFe(pinned)/AF(FeMn)の非結合型サンドイッチ構造

NiFe free

Cu

交換バイアス

NiFe pinned

AF layer

(e.g. FeMn)

最近はSAFに置き換え


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スピン依存トンネル効果とトンネル磁気抵抗効果(TMR)

current

FM2

insulator

FM1

I

FM2

  • 強磁性体(FM)/絶縁体(I)/強磁性体(FM)構造

  • M.Julliere: Phys. Lett. 54A, 225 (1975)

  • S. Maekawa and V.Gafvert: IEEE Trans Magn. MAG-18, 707 (1982)

  • Y.Suezawa and Y.Gondo: Proc. ISPMM., Sendai, 1987 (World Scientific, 1987)p.303

  • J.C.Slonchevsky: Phys. Rev. B39, 6995 (1989)

  • T. Miyazaki, N. Tezuka: JMMM 109, 79 (1995)

voltage

current

FM1


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TMRデバイス

  • 絶縁体の作製技術が鍵を握っている。→

  • 最近大幅に改善

  • TMR ratio as large as 45% was reported. (Parkin: Intermag 99)

  • Bias dependence of TMR has been much improved by double tunnel junction. (Inomata: JJAP 36, L1380 (1997))


Tmr mram

TMRを用いたMRAM

  • ビット線とワード線でアクセス

  • 固定層に電流の作る磁界で記録

  • トンネル磁気抵抗効果で読出し

  • 構造がシンプル


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MRAM と他のメモリとの比較


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磁性半導体とは

  • 磁性と半導体性を兼ね備えた物質の総称

  • 第1世代:CdCr2Se4, EuOなど60年代後半

  • 磁気メモリ:磁気ヒステリシス応用

    磁性の起源:電子のもつスピン

  • 半導体電子デバイス:

    • 伝導性の起源:電子のもつ電荷


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磁性半導体の何が面白いの?

  • 磁性の原因となっている原子の磁気モーメントと、電気伝導の原因になっている伝導電子の スピン磁気モーメントの間に互いにそろえ合う力(交換相互作用)が働く

  • これにより、巨大磁気抵抗効果(GMR)、巨大磁気光学効果、電気による磁性の制御などに道が開ける


Cdcr 2 se 4

磁性半導体の物性CdCr2Se4(第1世代の磁性半導体)

Magnetic red shift

GMR

吸収端のred shift

巨大磁気抵抗効果


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磁性半導体は何の役に立つの?

  • 大きな磁気抵抗効果

    • 高感度再生用GMRヘッド、固体磁気メモリ(MRAM)

  • 大きな磁気光学効果

    • ファイバ通信用光アイソレータ

  • 伝導電子スピンと原子磁気モーメントの相互作用

    • コイルを使わず電気や光で磁気をコントロール

  • バンドギャップのmagnetic red shift

    • 磁界で色が変わる材料


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いままで実用例はあるの?

  • 電気と磁気の関わりを使ったデバイス

    • 提案はあるが、低温がネックとなって実用化せず。

    • CdCr2Se4, EuSなどは結晶、薄膜作製が困難

    • GaAs:MnなどはMnが入りづらい

  • 光と磁気の関わりを使ったデバイス

    • Cd1-xMnxTe、Cd1-x-yHgxMnyTeではファイバアンプ励起光源用光アイソレータとして実用化


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光ファイバ増幅器とアイソレータ


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磁性半導体の再ブーム

  • III-V系希薄磁性半導体の登場

    • 宗片、大野ら:InMnAs, GaMnAsのキャリア誘起強磁性を発見。非平衡低温成長でMnを大量置換。

    • IIIV族は結晶性のよいものが得られる。

    • Pn両型があるのでデバイスを作りやすい。

    • デバイス作製技術が確立している。

    • キュリー温度の高いものが得られない。


Gamnas inmnas mn

GaMnAs,InMnAsにおけるMn濃度と格子定数、キュリー温度

キュリー温度 vs. Mn濃度

格子定数 vs. Mn濃度


Ga 1 x mn x asled

Degree of polarization DP

DP (%)

Ga1-xMnxAsLEDに見られる円偏光発光の磁界依存性

スピン注入現象の証拠と考えられる

Y. Ohno, D.K. Young,

B. Beschoten, F. Matsukura,

H. Ohno and D.D. Awschalom,

Nature 402 (1999) 790


Inmnas fet

Hall Resistance R ()

InMnAs FETのゲート電圧による磁性の制御

チャネルのホール濃度を

ゲート電圧で制御→Tcが変化

→ヒステリシスの変化

Ohno


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室温磁性半導体への道

理論

  • 2000Wide gap 半導体。P-型(RKKY) (東北大)

  • 2000ZnO:Mnなど。P型(二重交換相互作用)(阪大)

    実験

  • 2000CdMnGeP2 (筆者ら)

  • 2000ZnO:Co (阪大産研)

  • 2001TiO2:Mn(東工大)

  • 2001ZnMnGeAs2(North Western大)

  • 2001 ZnGeP2(筆者ら)

  • 2002 ZnGeP2(東大)


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カルコパイライト系新磁性半導体

  • 2燐化カドミウム・ゲルマニウム(CdGeP2)を母体とし、マンガン(Mn)を高濃度に添加した物質

  • 製造方法:母体単結晶にMnを蒸着し熱拡散

  • 結晶構造は?

    • カルコパイライト構造

  • Mn濃度は?

    • 最表面Mn/Cd=53%, 深さ0.6mで12.7%

    • 平均:実効層厚0.5mに平均20%


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カルコパイライト構造

Si, Ge

IV

ダイヤモンド構造

GaP

III

V

閃亜鉛鉱構造

II

CdGeP2

IV

V

カルコパイライト

Ge

Cd

P


Ii iv v 2

II-IV-V2カルコパイライト半導体


Rheed cdgep 2 mn

成膜時の RHEED パターンの変化CdGeP2:Mn

  • Mn-堆積前

  • Mn-堆積後

  • 500ºC、30分の

     アニール後


Deposition of mn on zngep 2 at 400 o c

Deposition of Mn on ZnGeP2 at 400oC

Before deposition

Before deposition

Mn evap. 180s

Mn evap. 60s


Mn deposition 300 1800s

Mn deposition 300-1800s

Mn evap. 300s

Mn evap. 1080s

After deposition

Mn evap. 1800s


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新磁性半導体の物性

  • Mn添加層も半導体:

    • バンドギャップが存在。ワイド化(1.72→3.24eV)

      [蛍光スペクトルの測定による]

  • Mn添加層は強磁性体:

    • 磁気ヒステリシスを観測(磁化率計による)

    • 表面に磁化が存在(磁気力顕微鏡(MFM)による)

  • 磁性半導体特有の磁気光学効果:

    • 磁気カー楕円率のピーク=母体のバンドギャップ

    • ファラデー回転に換算すると5.7×104度/cm


Cross sectional sem photograph

Cross sectional SEM photograph


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室温のヒステリシス曲線

反磁性の

補正後

0.4

H

parallel

e.m.u.)

T=300 K

生データ

0.2

-3

0.0

Magnetization (x10

-0.2

-0.4

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

H field (x10 kOe)


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磁化の温度変化(H=0)

S = 1/2

Magnetization(emu)

Tc=320K

S = 5/2

Temperature (K)


Mfm afm

残留磁化状態における室温のMFM 像と AFM 像

(a) MFM 像 (b) AFM 像


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0.05

0.00

[degree]

-0.05

k

h

,

k

q

-0.10

q

k

h

k

-0.15

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

Photon Energy [eV]

磁気光学カー効果

  •  =n2 =12.1 (n =3.48 at =800 nmを利用) K=-iK =-i0.12 deg (=800 nm)→F/l=5.2104 deg/cmと推定される。

ファラデー回転の推定:


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現在の研究状況

  • バルクZnMnGeP2において相分離を起こさずカルコパイライト相の磁性半導体を得る条件を探索

  • ZnMnGeP2系の磁化のSQUIDによる評価

  • CdMnGeP2, ZnMnGeP2の表面層の精密XRD

  • EXAFSによる測定(バークレーDr. Soo)

  • Mn堆積時のUPSその場観察(東大藤森敦)


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光スピニクスの最近の進展

  • はじめに

  • MO-SNOM(近接場磁気光学顕微鏡)の開発

  • NOMOKE(非線型磁気カー効果)による界面磁性の研究

  • そのほかの微小領域磁性観測技術

  • 今後の課題

  • おわりに


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はじめに

  • 微小領域磁性の観測手段

    • 電子顕微鏡:ローレンツ電顕、スピン偏極電顕、電子線ホログラフィ→磁束の観測

    • 近接プローブ:MFM, スピン偏極STM,SNOM

    • 電気的測定:MR, Hall

  • 表面・界面

    • Wedgeの磁気光学効果

    • NOMOKE(非線型磁気カー効果)


Mo snom

MO-SNOM(近接場磁気光学顕微鏡)

  • 近接場とは

  • 光ファイバプローブ

  • 円偏光変調法

  • プローブのストークスパラメータ

  • 光磁気記録マークの観察


Snom afm

Arion

laser

LD

Photodiode

Compensator

ベントファイバープローブ

PEMを用いたMO-SNOMシステム

Polarizer

Bimorph

Sample

PEM

Opticalfiberprobe

Filter

Signal

Lock-in

Amplifier

generator

Photomultiplier

XYZ

Analyzer

scanner

Controller

Computer

(SPI38003800)

SNOM/AFMシステム


Mo snom mo

MO-SNOMで観測したMOディスクの記録マーク

トポ像

MO 像


0 2 m mo snom

磁界変調法で記録された0.2m マークのトポ像とMO-SNOM像

解像度の定義

トポ像

ライン・プロファイル

MO 像


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放物面鏡を用いた反射型SNOM

P. Fumagalli, A. Rosenberger, G. Eggers, A. Münnemann, N. Held, G. Güntherodt: Appl. Phys. Lett.72, 2803 (1998)


Nomoke

NOMOKE(非線形磁気カー効果)

  • SHGが表面界面に敏感なわけ

  • 大きな回転角:線形磁気カー効果との比較

  • 実験装置

  • Fe/Au人工格子についての実験結果

  • 理論的考察とシミュレーション

  • 今後の展開


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l=810nm

Pulse=150fs

P=600mW

rep80MHz

LD pump SHG laser

Ti: sapphire

laser

Mirror

l=532nm

Electromagnet

Filter

Berek compensator

Stagecontroller

Mirror

Sample

Chopper

Analyzer

lens

polarizer

Lens

Photon counting

Filter

PMT

Photon counter

Computer

MSHG測定システム


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Sample

光学配置(縦カー効果)

試料回転

Sample stage

w (810nm)

Pole piece

P-polarized or S-polarized light

45°

Rotating

analyzer

w (810nm)

Analyzer

Filter

2w (405nm)


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線形および非線形応答の方位角依存性

・ Linear optical response(=810nm)

The isotropic response for the azimuthal angle

・ Nonlinear optical response (=405nm)

The 4-fold symmetry pattern

Azimuthal pattern show 45-rotation by reversing the magnetic field

非線形

線形

45

SHG intensity (counts/10sec.)

SHG intensity (counts/10sec.)

(a)Linear (810nm)

(b)SHG (405nm)

[Fe(3.75ML)/Au(3.75ML)] 超格子の (Pin Pout)配置の線形および非線形の方位角依存性


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Electromagnet

S-polarized light

ω(810nm)

Rotating

Analyzer

45°

Analyzer

Filter

2w (405nm)

非線形カー回転

Df = 31.1°

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

Fe(1.75ML)/Au(1.75ML)Sin


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Sample

P

F1

L

F2

Objective lens

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

50m

線形・非線型磁気光学顕微鏡で観測したCoNiの磁区

非線形磁気光学顕微鏡


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そのほかの観察技術

  • X線磁気光学顕微鏡

    • 内殻吸収端とMCD;K殻、L殻、M殻

    • シンクロトロン放射光

    • フレネルゾーンプレート

  • サニャック効果

    • サニャック干渉計(光ファイバジャイロの原理)

    • 位相差に敏感

    • 非相反のみを分離


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Occupation of minority 3d band

(b)

(a)

md

+2

+1

0

-1

-2

(3)

(1)

(6)

(14)

(6)

(6)

(12)

(2)

(3)

(3)

mj

+3/2

+1/2

-1/2

-3/2

mj

+1/2

-1/2

3d

2p3/2

2p1/2

(b)

(a)

(a) (b)に対応する遷移のXMCDのシミュレーション.

X線磁気光学効果


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L吸収端の磁気円二色性

(b)


Fe l 3 xmcd mo

FeのL3吸収端のXMCDを用いて観測したMO媒体の磁区像

SiN(70nm)/ TbFeCo(50nm)/SiN(20nm)/

Al(30nm)/SiN(20nm) MO 媒体

  N. Takagi, H. Ishida, A. Yamaguchi, H. Noguchi, M. Kume, S. Tsunashima, M. Kumazawa, and P. Fischer: Digest Joint MORIS/APDSC2000, Nagoya, October 30-November 2, 2000, WeG-05, p.114.


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微小領域磁性のスピンダイナミクス

GaAs高速光スイッチ

Th. Gerrits, H. van den Berg, O. Gielkens, K.J. Veenstra and Th. Rasing: Digest Joint MORIS/APDSC2000, Nagoya, October 30-November 2, 2000, TuC-05, p.24.


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光スピニクス今後の課題-より広範な領域をめざして-

  • t:超短パルス光→ps, fsレーザを用いた時間分解磁気光学測定、ポンププローブ測定

  • :広い波長領域、シンクロトロン放射光

  • k:回折現象、磁気散乱、磁性パターンの回折磁気光学

  • x:微小領域観察、アパーチャレスSNOM、スピンSTM、X線顕微鏡

  • :位相の直接測定:サニャック干渉計


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終わりに

  • 磁性の世界がナノテクノロジーという道具を得て大きく変革しつつある。

  • 電子のもつ電荷とスピンの2つの機能を有効に使う技術がスピンエレクトロニクスである。

  • これまで、自然に作りつけであると考えていた磁気的相互作用を人類はついに制御する技術を得た。

  • 光とスピンの相互作用は、近接場技術、フェムト秒技術などを得て次世代の高速高密度記録技術への道を開きつつある。


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