JP6116053B2 - Spin wave induction and initial phase control system and method, spin wave induction and propagation control system and method - Google Patents

Spin wave induction and initial phase control system and method, spin wave induction and propagation control system and method Download PDF

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Description

本発明は、光パルス照射による好適なスピン波の誘起・初期位相制御システム及び方法、スピン波の誘起・伝播制御システム及び方法に関する。   The present invention relates to a spin wave induction / initial phase control system and method suitable for light pulse irradiation, and a spin wave induction / propagation control system and method.

現代の情報社会を支えるエレクトロニクスの分野では、電子の持つ電荷の自由度やその電荷の流れである電流が情報を担ってきた。しかし、電気を流すと生じるジュール熱による影響があるため、情報デバイスの高密度化は、限界に達しつつある。   In the field of electronics that supports the modern information society, the degree of freedom of charge of electrons and the current that is the flow of those charges have been responsible for information. However, due to the influence of Joule heat that is generated when electricity is supplied, the increase in the density of information devices is reaching its limit.

そうした中、近年、電子が持つもう一つの自由度である電子スピン(以下、「スピン」という。)を積極的に利用するスピントロニクスという分野が立ち上がり、次世代の情報社会を支える技術として世界で研究開発が進んでいる。   Under these circumstances, in recent years, the field of spintronics that actively uses electron spin (hereinafter referred to as “spin”), which is another degree of freedom of electrons, has been launched, and research is being conducted worldwide as a technology that supports the next-generation information society. Development is progressing.

エレクトロニクスの分野では、電子が持っている電荷がそのまま情報となっていたが、このスピントロニクスの分野では、電子の持っているスピンの向きが一つの情報となり、例えば上向きのスピンを「1」、下向きのスピンを「0」とする情報の伝達が想定されている。   In the field of electronics, the charge of an electron was directly used as information, but in this field of spintronics, the direction of the spin of an electron becomes one piece of information. Transmission of information with a spin of “0” is assumed.

図21に示すように、一つのスピンの回転軸が円を描くように揺れる現象を歳差運動と呼ぶ。このスピンが歳差運動を始めると、スピン間の相互作用によって、例えば、A点にある一つのスピンの周囲にあるA点以外のスピンも同じ周波数で歳差運動を始める。ここで、互いに隣り合うスピン同士が、その間で位相のずれを持ちながら歳差運動をするとき、有限の長さを持った波となり、この波はスピン波と呼ばれている。このスピン波は、電流と異なりジュール熱が生じないことから、新しい情報デバイスへの応用が期待されている。そして、図21に示す場合では、このA点からB点までの長さをスピン波の波長と呼ぶ。   As shown in FIG. 21, a phenomenon in which the rotation axis of one spin swings in a circle is called precession. When this spin begins to precess, for example, spins other than the A point around one spin at the A point start precessing at the same frequency due to the interaction between the spins. Here, when spins adjacent to each other perform a precession while having a phase shift between them, a wave having a finite length is generated, and this wave is called a spin wave. Unlike spin current, this spin wave does not generate Joule heat, and is expected to be applied to new information devices. In the case shown in FIG. 21, the length from point A to point B is called the wavelength of the spin wave.

従来のスピン波に関する技術としては、約100フェムト秒のパルス幅を持つ円偏光パルスを磁性体に集光することで逆ファラデー効果を利用してスピン波を誘起することが提案されている(例えば、非特許文献1参照)。   As a technique related to a conventional spin wave, it has been proposed to induce a spin wave using the inverse Faraday effect by concentrating a circularly polarized pulse having a pulse width of about 100 femtoseconds on a magnetic material (for example, Non-Patent Document 1).

非特許文献1に開示された技術は、試料に照射されるポンプ光線に対するプローブ光線の相対的位置を磁場と同じ方向に徐々にずらしていくことによって、スピン歳差運動の時間空間分解測定を可能としている。このポンプ光線とは、物質を励起する光であり、プローブ光線とは、物質を励起せずに情報を読み取るための光である。このポンプ・プローブ法によるスピン波の空間伝播の観測結果によると、ポンプ光線のスポットとプローブ光線のスポットの距離を、100μm、200μm、300μmと順番にずらしていくことにより、スピン歳差運動が生じるタイミングが徐々にずれていき、スピン波の波束が伝播していく様子がわかる。   The technique disclosed in Non-Patent Document 1 enables time-space-resolved measurement of spin precession by gradually shifting the relative position of the probe beam to the pump beam irradiated on the sample in the same direction as the magnetic field. It is said. The pump beam is light that excites the substance, and the probe beam is light for reading information without exciting the substance. According to the observation result of the spatial propagation of the spin wave by the pump-probe method, the spin precession occurs by shifting the distance between the spot of the pump beam and the spot of the probe beam in order of 100 μm, 200 μm, and 300 μm. It can be seen that the timing gradually shifts and the wave packet of the spin wave propagates.

また同様に、ポンプ・プローブ法によるスピン波の空間伝播実験の結果、媒体表面でのポンプ光線のスポット形状を変えることで、スピン波が異方的に伝播する様子が明瞭に示された。この結果は、スピン波の分散関係を用いた数値計算によっても再現されている(例えば、非特許文献2参照)。   Similarly, as a result of the spatial propagation experiment of the spin wave by the pump-probe method, it was clearly shown that the spin wave propagates anisotropically by changing the spot shape of the pump beam on the medium surface. This result is also reproduced by numerical calculation using the spin wave dispersion relation (see, for example, Non-Patent Document 2).

更に、媒体にポンプ光線を照射することによりスピン波を誘起するとともに、ポンプ光線のスポット形状を変えることでスピン波の関数を制御するスピン波の誘起・伝播制御システム及び波動の誘起・伝播制御方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   Furthermore, a spin wave induction / propagation control system and a wave induction / propagation control method for inducing a spin wave by irradiating a medium with a pump beam and controlling a function of the spin wave by changing a spot shape of the pump beam Has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

特願2012−203693号Japanese Patent Application No. 2012-203893 米国特許第4912478号公報U.S. Pat. No. 4,912,478

照井勇輝他、希土類鉄ガーネットにおける光誘起スピンダイナミクス、日本物理学会講演概要集第66巻第1号(第66回年次大会)第4分冊、751頁、2011年3月3日発行Teruki Yuki et al., Photo-Induced Spin Dynamics in Rare Earth Iron Garnet, The 66th Annual Meeting of the Physical Society of Japan, Vol. 66, No. 4, 751, March 3, 2011 照井勇輝他、円偏光パルスの成形によるスピン波の波数分布制御、第59回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集、10−076頁、2012年2月29日発行Terui Yuki et al., Wavenumber distribution control of spin wave by shaping circularly polarized pulse, 59th Joint Lecture on Applied Physics, Proceedings, 10-076, February 29, 2012

非特許文献1の開示技術では、誘起されたスピン波が周囲に伝播していることが示されている。また非特許文献2及び特許文献1の開示技術では、ポンプ光線のスポット形状を変えることでスピン波が異方的に伝播することが示されている。この非特許文献2及び特許文献1の開示技術では、ポンプ光線のスポット形状を変更することでスピン波の関数を制御することができるものの、いずれもポンプ光偏光が左回りまたは右回りの円偏光であるため、スピン歳差運動の初期位相はヘリシティに応じて0かπの2種類しかなく、初期位相の連続的な制御をすることができないという問題点があった。   In the disclosed technology of Non-Patent Document 1, it is shown that the induced spin wave propagates to the surroundings. In addition, the disclosure techniques of Non-Patent Document 2 and Patent Document 1 show that spin waves propagate anisotropically by changing the spot shape of the pump beam. In the disclosed technologies of Non-Patent Document 2 and Patent Document 1, the function of the spin wave can be controlled by changing the spot shape of the pump beam, but in either case, the pump light polarization is counterclockwise or clockwise circular polarization. Therefore, there are only two initial phases of spin precession, 0 or π, depending on the helicity, and there is a problem that the initial phase cannot be controlled continuously.

また特許文献1の開示技術では、ポンプ光線のスポットの空間分布を変化させることで、スピン波の伝播方向を制御可能としていたが、ポンプ光線のスポットが当てられるスペースに制限がある場合には、ポンプ光線のスポットの空間分布を変化することができない恐れがあるという問題点があった。   Further, in the disclosed technique of Patent Document 1, the propagation direction of the spin wave can be controlled by changing the spatial distribution of the spot of the pump beam, but when there is a limit to the space to which the spot of the pump beam is applied, There was a problem that the spatial distribution of the spot of the pump beam could not be changed.

また円偏光でなく直線偏光のポンプ光線を媒体に照射した場合のスピン波の伝播状態やスピン波の伝播制御についての開示技術は存在しない。   In addition, there is no disclosed technique regarding the propagation state of spin waves and the propagation control of spin waves when a medium is irradiated with pump light of linearly polarized light instead of circularly polarized light.

更に、フェーズドアレイレーダーなどで電波や音波の位相を制御することにより、電波や音波の伝播方向を変化させることは、一般的によく知られている。また従来からマイクロストリップアンテナによりスピン波を誘起させ、複数のスピン波を干渉させて合成された合成スピン波を誘起し、この合成スピン波の伝播方向を各スピン波の初期位相を変化させることにより制御することが提案されている(例えば、特許文献2参照)。しかしながら、特許文献2の開示技術は、マイクロストリップアンテナによるスピン波の誘起方法であり、スピン波を超高速かつ非接触に誘起ができないという問題点があった。また特許文献2の開示技術では、スピン波が誘起される媒体の微細加工も必要となるため、スピン波の誘起方法として設計の自由度が低く、スピン波の伝播制御は難しいという問題点があった。   Furthermore, it is generally well known to change the propagation direction of radio waves and sound waves by controlling the phase of radio waves and sound waves with a phased array radar or the like. In addition, a spin wave is conventionally induced by a microstrip antenna, a synthesized spin wave is induced by interfering with a plurality of spin waves, and the propagation direction of the synthesized spin wave is changed by changing the initial phase of each spin wave. Control is proposed (for example, refer patent document 2). However, the disclosed technique of Patent Document 2 is a method of inducing spin waves using a microstrip antenna, and there is a problem in that spin waves cannot be induced in an ultrafast and non-contact manner. In addition, since the disclosed technique of Patent Document 2 requires microfabrication of a medium in which spin waves are induced, there is a problem that spin wave propagation is difficult to control and spin wave propagation is difficult to control. It was.

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、媒体にポンプ光線が照射され誘起されたスピン波の初期位相を制御するスピン波の誘起・初期位相制御システム及び方法を提供することにある。更に、複数のポンプ光線が媒体に照射されて形成されたポンプ光線のスポットに誘起された複数のスピン波を干渉させて合成された合成スピン波を誘起し、合成スピン波の伝播方向を制御可能とするスピン波の誘起・伝播制御システム及び方法を提供することにある。   Therefore, the present invention has been devised in view of the above-described problems, and its object is to induce spin waves that control the initial phase of the spin waves that are induced by irradiating the medium with pump rays. To provide an initial phase control system and method. Furthermore, it is possible to control the propagation direction of the synthesized spin wave by inducing a synthesized spin wave that is synthesized by interfering with the multiple spin waves induced in the spot of the pump beam formed by irradiating the medium with multiple pump beams. A spin wave induction and propagation control system and method are provided.

前記課題を解決するために、本発明に係るスピン波の誘起・初期位相制御システム及び方法、スピン波の誘起・伝播制御システム及び方法は、次のように構成する。   In order to solve the above problems, a spin wave induction / initial phase control system and method, and a spin wave induction / propagation control system and method according to the present invention are configured as follows.

本願第1の発明は、スピン波の誘起・初期位相制御システムであって、光源と、光源から出射されたポンプ光線の偏光方位角を回転可能な偏光方位角回転手段と、ポンプ光線が偏光方位角回転手段を通過していく光路上に配置されると共にスピン波を誘起可能な媒体とを備え、ポンプ光線が媒体に向けて照射されることにより当該媒体中にスピン波が誘起され、下記(1)式に基づいて、偏光方位角回転手段でポンプ光線の偏光方位角を変化させることにより、誘起されたスピン波の初期位相を制御することを特徴とする。   The first invention of the present application is a spin wave induction / initial phase control system, comprising a light source, a polarization azimuth rotating means capable of rotating a polarization azimuth angle of a pump beam emitted from the light source, and a pump beam having a polarization direction A medium disposed on an optical path passing through the angular rotation means and capable of inducing a spin wave, and by irradiating the pump beam toward the medium, the spin wave is induced in the medium. Based on the equation (1), the initial phase of the induced spin wave is controlled by changing the polarization azimuth angle of the pump beam by the polarization azimuth rotation means.

本願第2の発明は、第1の発明において、光源が出射するポンプ光線は、直線偏光であることを特徴とする。   The second invention of the present application is characterized in that, in the first invention, the pump beam emitted from the light source is linearly polarized light.

本願第3の発明は、スピン波の誘起・伝播制御システムであって、N本のポンプ光線が媒体に向けて照射されて、当該媒体中に誘起されたN個のスピン波が伝播して互いに干渉することにより合成スピン波が誘起され、請求項1記載のスピン波誘起・初期位相制御システムにおける偏光方位角回転手段で当該N本のポンプ光線の偏光方位角を変化させ、当該N個のスピン波のそれぞれの初期位相を変化させることにより、下記(2)式に基づいて、合成スピン波の関数を制御することを特徴とする。   A third invention of the present application is a spin wave induction / propagation control system in which N pump beams are irradiated toward a medium, and N spin waves induced in the medium propagate to each other. The synthesized spin wave is induced by the interference, and the polarization azimuth of the N pump beams is changed by the polarization azimuth rotation means in the spin wave induction / initial phase control system according to claim 1, so that the N spins By changing the initial phase of each wave, the function of the synthesized spin wave is controlled based on the following equation (2).

本願第4の発明は、第3の発明において、光源が出射するポンプ光線は、直線偏光であることを特徴とする。   The fourth invention of the present application is characterized in that, in the third invention, the pump beam emitted from the light source is linearly polarized light.

本願第5の発明は、スピン波の誘起・初期位相制御方法であって、光源から出射されたポンプ光線を、ポンプ光線の偏光方位角を回転する偏光方位角回転手段を介して媒体に照射して、当該媒体中にスピン波を誘起する第1工程と、下記(1)式に基づいて、偏光方位角回転手段でポンプ光線の偏光方位角を変化させることにより、スピン波の初期位相を制御する第2工程とを有することを特徴とする。   The fifth invention of the present application is a spin wave induction / initial phase control method, in which a pump beam emitted from a light source is irradiated onto a medium via a polarization azimuth rotating means for rotating a polarization azimuth angle of the pump beam. The initial phase of the spin wave is controlled by changing the polarization azimuth of the pump beam by the polarization azimuth rotation means based on the first step of inducing the spin wave in the medium and the following equation (1). And a second step.

本願第6の発明は、第5の発明において、光源が出射するポンプ光線は、直線偏光であることを特徴とする。   The sixth invention of the present application is characterized in that, in the fifth invention, the pump beam emitted from the light source is linearly polarized light.

本願第7の発明は、スピン波の誘起・伝播制御方法であって、光源から出射されたN本のポンプ光線を、ポンプ光線の偏光方位角を回転する偏光方位角回転手段を介して媒体に照射して、当該媒体中にN個のスピン波を誘起し干渉させて合成スピン波を誘起する第1工程と、本願第5の発明記載のスピン波誘起・初期位相制御方法における偏光方位角回転手段で当該N本のポンプ光線の偏光方位角を変化させ、当該N個のスピン波のそれぞれの初期位相を変化させることにより、下記(2)式に基づいて、合成スピン波の関数を制御する第2工程とを有することを特徴とする。   A seventh invention of the present application is a spin wave induction / propagation control method, wherein N pump beams emitted from a light source are transmitted to a medium via a polarization azimuth rotation means for rotating the polarization azimuth angle of the pump beam. The first step of irradiating and inducing N spin waves in the medium to cause interference to induce a synthesized spin wave, and the polarization azimuth rotation in the spin wave induction and initial phase control method according to the fifth aspect of the present invention The function of the synthesized spin wave is controlled based on the following equation (2) by changing the polarization azimuth angle of the N pump beams by means and changing the initial phase of each of the N spin waves. And a second step.

本願第8の発明は、第7の発明において、光源が出射するポンプ光線は、直線偏光であることを特徴とする。   The eighth invention of the present application is characterized in that, in the seventh invention, the pump beam emitted from the light source is linearly polarized light.

本願第1、5の発明によれば、偏光方位角回転手段によりポンプ光線の偏光方位角を変化させることにより、(1)式のモデルに基づいてスピン波の初期位相を制御することができる。   According to the first and fifth aspects of the present application, the initial phase of the spin wave can be controlled based on the model of the equation (1) by changing the polarization azimuth angle of the pump beam by the polarization azimuth rotation means.

本願第3、7の発明によれば、N個のポンプ光線のスポットから誘起されたN個のスピン波が互いに干渉することにより合成された合成スピン波を誘起し、本願第1の発明のように、N個のスピン波の初期位相をそれぞれ変化させて、(2)式のモデルに基づいて当該合成スピン波の関数を制御する。これにより、N個のスピン波のそれぞれの初期位相の制御により、所望の合成スピン波の関数を得ることができる。また(2)式により、試料の特性は、スピン波の角周波数の分散関係とスピン波の緩和係数に基づくため、事前に試料の特性を数値計算により予測することができ、所望の合成スピン波を誘起するための試料の選定又は所望の試料の合成が可能となる。   According to the third and seventh inventions of the present application, the synthesized spin waves are induced by the N spin waves induced from the spots of the N pump beams interfering with each other, as in the first invention of the present application. Then, the initial phases of the N spin waves are respectively changed, and the function of the synthesized spin wave is controlled based on the model of equation (2). As a result, a desired function of the synthesized spin wave can be obtained by controlling the initial phase of each of the N spin waves. Also, according to equation (2), the sample characteristics are based on the dispersion relation of the angular frequency of the spin wave and the relaxation coefficient of the spin wave, so the sample characteristics can be predicted in advance by numerical calculation, and the desired synthesized spin wave can be predicted. It is possible to select a sample for inducing or to synthesize a desired sample.

また本願第3、7の発明によれば、初期位相の制御によりスピン波の伝播方向を制御するフェーズドアレイの技術を合成スピン波の伝播方向制御に応用する際には、N本のポンプ光線の照射タイミングに遅延時間を設けることなく、N個のポンプ光線のスポットに誘起されたN個のそれぞれのスピン波の初期位相を変化させることが可能となる。これにより、ポンプ光線の遅延時間を設けるためのポンプ光線の伝播空間を確保する必要がなくなるため、デバイスの小型化が可能となる。   According to the third and seventh aspects of the present invention, when the phased array technology for controlling the propagation direction of the spin wave by controlling the initial phase is applied to the propagation direction control of the synthesized spin wave, It is possible to change the initial phases of the N spin waves induced in the spots of the N pump beams without providing a delay time in the irradiation timing. Accordingly, it is not necessary to secure a propagation space for the pump beam for providing a delay time for the pump beam, and the device can be downsized.

また本願第2、4、6、8の発明によれば、ポンプ光線の偏光が直線偏光であるため、ポンプ光線の偏光方位角を連続的に変化させることが可能となり、当該偏光方位角の連続的な変化に応じて初期位相を連続的に変化させることが可能となる。   According to the second, fourth, sixth, and eighth inventions of the present application, since the polarization of the pump beam is linearly polarized, the polarization azimuth angle of the pump beam can be continuously changed. It is possible to continuously change the initial phase according to the change.

本発明を適用したポンプ・プローブ法によるスピン波の誘起・初期位相制御装置の構成を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the structure of the induction | guidance | derivation and initial phase control apparatus of the spin wave by the pump probe method to which this invention is applied. 本発明を適用した図1に示すスピン波の誘起・初期位相制御装置の主要な構成要素を抽出したスピン波の誘起・初期位相制御システムの概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram of a spin wave induction / initial phase control system in which main components of the spin wave induction / initial phase control apparatus shown in FIG. 1 to which the present invention is applied are extracted. 試料に外部磁場を与えた際の試料中の初期磁場と初期スピンの状態を示した概念図である。It is the conceptual diagram which showed the state of the initial stage magnetic field and initial stage spin in a sample at the time of giving an external magnetic field to a sample. 光源から出射されたポンプ光線を試料に照射した際に、合成磁場とスピンの方向が、それぞれ初期磁場と初期スピンから変化した状態を示した概念図である。It is the conceptual diagram which showed the state from which the direction of the synthetic magnetic field and the spin changed from the initial magnetic field and the initial spin, respectively, when the sample was irradiated with the pump beam emitted from the light source. ポンプ光線を試料に照射した後に、合成磁場のまわりをスピンが歳差運動を行っている状態を示した概念図である。It is the conceptual diagram which showed the state in which the spin precesses around a synthetic magnetic field, after irradiating a sample with a pump beam. 偏光方位角回転手段により、ポンプ光線の偏光方位角が変化した状態を示した概念図である。It is the conceptual diagram which showed the state which the polarization azimuth of the pump beam changed with the polarization azimuth rotation means. 図5のスピンが歳差運動を行うことにより誘起されたスピン波が周囲に伝播する様子をプローブ光線により検出している状態を示した概念図である。It is the conceptual diagram which showed the state which has detected the mode that the spin wave induced by the spin of FIG. 5 performing precession propagates around. ポンプ・プローブ法により観測した、ポンプ光線が試料に照射されて誘起されたスピン歳差運動の時間的な変化をポンプ光線の偏光方位角ごとに示した図である。It is the figure which showed the temporal change of the spin precession induced by irradiating the sample with the pump beam and observed by the pump-probe method for each polarization azimuth angle of the pump beam. 図8の実験グラフのうち、ポンプ光線の偏光方位角が−60°の場合を抽出して、そのグラフをフィッティングさせた数値解析結果を示した図である。It is the figure which showed the numerical analysis result which extracted the case where the polarization azimuth angle of pump light was -60 degrees among the experimental graphs of FIG. 8, and fitted the graph. (a)は、ポンプ光線の偏光方位角と、プローブ光線の偏光方位回転角の振動振幅の関係を表した実験結果を示した図であり、(b)は、ポンプ光線の偏光方位角と、プローブ光線の偏光方位回転角の振動振幅の初期位相の関係を表した実験結果を示した図である。(A) is the figure which showed the experimental result showing the relationship between the polarization azimuth of a pump beam and the vibration amplitude of the polarization azimuth rotation angle of a probe beam, (b) is the polarization azimuth of a pump beam, It is the figure which showed the experimental result showing the relationship of the initial phase of the vibration amplitude of the polarization azimuth | direction rotation angle of a probe beam. 合成磁場のまわりをスピンが歳差運動を行う際のベクトルu1、ベクトルu2、ベクトルu3の関係を示した概念図である。Vector u 1 when about a resultant magnetic field spins precess, vectors u 2, is a conceptual diagram showing the relationship of the vector u 3. (a)は、ポンプ光線の偏光方位角とu1zの関係を表した実験結果と数値解析結果を示した図であり、(b)は、ポンプ光線の偏光方位角とu2zの関係を表した実験結果と数値解析結果を示した図である。(A) is a graph showing the results the experimental results and numerical analysis showing a relationship between polarization azimuth and u 1z of pump radiation, (b), the table the relationship between polarization azimuth and u 2z of pump radiation It is the figure which showed the experimental result and numerical analysis result which were performed. 本発明を適用した第2実施形態のポンプ・プローブ法を用いて2個のポンプ光線のスポットによる合成スピン波の誘起・伝播制御装置の構成を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the structure of the induction | guidance | derivation and propagation control apparatus of the synthetic | combination spin wave by the spot of two pump rays using the pump probe method of 2nd Embodiment to which this invention is applied. 本発明を適用した図13に示すスピン波の誘起・伝播制御装置の主要な構成要素を抽出したスピン波の誘起・伝播制御システムの概念図である。FIG. 14 is a conceptual diagram of a spin wave induction / propagation control system in which main components of the spin wave induction / propagation control apparatus shown in FIG. 13 to which the present invention is applied are extracted. 本発明を適用した第2実施形態のポンプ・プローブ法を用いて試料上にある9個のスピン波が干渉した状態を示した概念図である。It is the conceptual diagram which showed the state which nine spin waves on a sample interfered using the pump probe method of 2nd Embodiment to which this invention is applied. (a)は1個のポンプ光線のスポットから誘起されたスピン波の3ns後の振幅マップのシミュレーション結果を示した図であり、(b)は(a)の場合のスピン波の位相マップを示した図である。(A) is the figure which showed the simulation result of the amplitude map after 3 ns of the spin wave induced from the spot of one pump beam, (b) shows the phase map of the spin wave in the case of (a). It is a figure. (a)は9個のポンプ光線のスポットから誘起されたスピン波の初期位相が全て同位相の場合の3ns後のスピンの振幅マップのシミュレーション結果を示した図であり、(b)は(a)の場合のスピン波の位相マップを示した図である。(A) is the figure which showed the simulation result of the amplitude map of the spin after 3 ns in case the initial phase of all the spin waves induced from the spot of nine pump light rays is the same phase, (b) is (a) FIG. 6 is a diagram showing a phase map of spin waves in the case of (). (a)は、9個のポンプ光線のスポットから誘起されたスピン波の初期位相の位相差が60°の場合の3ns後のスピン波の振幅マップのシミュレーション結果を示した図であり、(b)は(a)の場合のスピン波の位相マップを示した図である。(A) is the figure which showed the simulation result of the amplitude map of the spin wave after 3 ns in case the phase difference of the initial phase of the spin wave induced from the spot of nine pump light rays is 60 degrees, (b) ) Is a diagram showing a phase map of spin waves in the case of (a). (a)は、9個のポンプ光線のスポットから誘起されたスピン波の初期位相Cnが、Cn=15°×(n−4)2(但し、n=1〜9)の場合の3ns後のスピン波の振幅マップのシミュレーション結果を示した図であり、(b)は(a)の場合のスピン波の位相マップを示した図である。(A) shows 3 ns when the initial phase C n of the spin wave induced from the spots of the nine pump beams is C n = 15 ° × (n−4) 2 (where n = 1 to 9). It is the figure which showed the simulation result of the amplitude map of a later spin wave, (b) is the figure which showed the phase map of the spin wave in the case of (a). (a)は、9個のポンプ光線のスポットから誘起されたスピン波の初期位相Cnが、Cn=60°×(n−4)+15°×(n−4)2(但し、n=1〜9)の場合の3ns後のスピン波の振幅マップのシミュレーション結果を示した図であり、(b)は(a)の場合のスピン波の位相マップを示した図である。(A) shows that the initial phase C n of the spin wave induced from the spots of nine pump rays is C n = 60 ° × (n−4) + 15 ° × (n−4) 2 (where n = It is the figure which showed the simulation result of the amplitude map of the spin wave after 3 ns in the case of 1-9), (b) is the figure which showed the phase map of the spin wave in the case of (a). 有限な波数を持ったスピン波の概念図である。It is a conceptual diagram of a spin wave having a finite wave number.

第1実施形態 First embodiment

以下、本発明の実施の形態として、媒体中を伝播するスピン波の初期位相を制御するスピン波誘起・初期位相制御装置1、スピン波誘起・初期位相制御システム10及びスピン波誘起・初期位相制御方法において、図1、図2を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, as embodiments of the present invention, a spin wave induction / initial phase control device 1, a spin wave induction / initial phase control system 10, and a spin wave induction / initial phase control that control an initial phase of a spin wave propagating in a medium. The method will be described in detail with reference to FIGS.

図1は、本発明を適用したポンプ・プローブ法によるスピン波の誘起・初期位相制御装置1の構成を示した模式図である。図2は、本発明を適用した図1に示すスピン波の誘起・初期位相制御装置1の主要な構成要素を抽出したスピン波の誘起・初期位相制御システム10の概念図である。   FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a spin wave induction / initial phase control apparatus 1 by a pump-probe method to which the present invention is applied. FIG. 2 is a conceptual diagram of a spin wave induction / initial phase control system 10 in which main components of the spin wave induction / initial phase control apparatus 1 shown in FIG. 1 to which the present invention is applied are extracted.

図1に示すスピン波の誘起・初期位相制御装置1は、平板の試料2の面内方向に電磁石41により外部磁場を印加することにより試料2中の初期スピンを初期磁場の方向に向けて、試料2の面直方向にポンプ光線を入射し、ポンプ・プローブ法により当該スピンにより生じるスピン波の時間空間分解測定をする装置である。ここで、初期磁場とは、外部磁場と異方性磁場のベクトル和で表される。   The spin wave induction / initial phase control apparatus 1 shown in FIG. 1 applies an external magnetic field by an electromagnet 41 in the in-plane direction of the flat sample 2 to direct the initial spin in the sample 2 in the direction of the initial magnetic field. This is a device that makes a pump beam incident in the direction perpendicular to the surface of the sample 2 and performs time-space-resolved measurement of the spin wave generated by the spin by the pump-probe method. Here, the initial magnetic field is represented by a vector sum of an external magnetic field and an anisotropic magnetic field.

スピン波の誘起・初期位相制御装置1は、光源3と、光源3から出射されたポンプ光線を分離するビームスプリッター11と、このビームスプリッター11を通過したポンプ光線の光路上に配されるとともにその光線の波長を変換する光パラメトリック増幅器12と、光パラメトリック増幅器12によって略直角方向に折り曲げられたポンプ光線の繰り返し周波数の半分の周波数でポンプ光線をチョップするチョッパー13と、チョッパー13を通過したポンプ光線を分離するビームスプリッター14と、分離された一方のポンプ光線の強度を検出する光検出器15と、分離された他方のポンプ光線を略直角方向に反射させるミラー16と、ミラー16で反射されたポンプ光線を直線偏光にする偏光子18と、通過したポンプ光線の偏光方位角を回転可能とする偏光方位角回転装置4と、この偏光方位角回転装置4を通過したポンプ光線を集光するレンズ5とを備えている。   The spin wave induction / initial phase control device 1 is arranged on a light source 3, a beam splitter 11 that separates the pump beam emitted from the light source 3, and an optical path of the pump beam that has passed through the beam splitter 11. An optical parametric amplifier 12 that converts the wavelength of the light beam, a chopper 13 that chops the pump light beam at a frequency that is half the repetition frequency of the pump light beam bent in a substantially right angle direction by the optical parametric amplifier 12, and a pump light beam that has passed through the chopper 13 , A beam detector 14 for detecting the intensity of one of the separated pump beams, a mirror 16 for reflecting the separated pump beam in a substantially perpendicular direction, and a beam reflected by the mirror 16. Polarizer 18 that makes the pump beam linearly polarized, and the polarization direction of the pump beam that has passed through It includes a polarization azimuth rotating device 4 to be rotatable, and a lens 5 for focusing the pump light beam having passed through the polarization azimuth rotating device 4.

またこのスピン波の誘起・初期位相制御装置1は、ビームスプリッター11により略直角方向に折り曲げられて分離されたプローブ光線の光路上に配されたミラー21と、ミラー21により略直角方向に折り曲げられたプローブ光線を遅延ステージ側へと導く偏光ビームスプリッター22と、偏光ビームスプリッター22からのプローブ光線を直線偏光から円偏光に変換する1/4波長板23と、1/4波長板23を通過したプローブ光線をポンプ光線に対して時間遅延をつける遅延ステージ24と、遅延ステージ24から戻ってきたプローブ光線が偏光ビームスプリッター22により略直角方向に折り曲げられ、当該プローブ光線の光路上に配されたNDフィルタ26と、NDフィルタ26を通過したプローブ光線を試料2側へと反射させるミラー28と、ミラー28で反射されたプローブ光線を集光するレンズ55と、試料2を透過したプローブ光線の偏光方位回転角を測定する偏光方位回転角の測定器6とを備えている。   In addition, the spin wave induction / initial phase control device 1 is bent in a substantially right angle direction by a mirror 21 disposed on an optical path of a probe beam that is bent and separated in a substantially right angle direction by a beam splitter 11, and a mirror 21. The polarization beam splitter 22 that guides the probe beam to the delay stage side, the quarter-wave plate 23 that converts the probe beam from the polarization beam splitter 22 from linearly polarized light to circularly polarized light, and the quarter-wave plate 23. A delay stage 24 that delays the probe beam with respect to the pump beam, and a probe beam returned from the delay stage 24 is bent in a substantially right angle direction by the polarization beam splitter 22 and is placed on the optical path of the probe beam. The probe beam that has passed through the filter 26 and the ND filter 26 is reflected toward the sample 2 side. A mirror 28, and a lens 55 for focusing the probe beam reflected by the mirror 28, and a measuring instrument 6 polarizing direction rotation angle that measures the polarization direction rotation angle of the probe beam transmitted through the sample 2.

図2に示すスピン波の誘起・初期位相制御システム10は、本発明を適用した図1に示すスピン波の誘起・初期位相制御装置1の主要な構成要素を抽出したシステムであり、平板の試料2中のx方向に外部磁場を印加することにより試料2中の初期スピンを初期磁場の方向に向けて、試料2のz方向にポンプ光線を入射し、ポンプ・プローブ法を用いてスピンにより生じるスピン波の時間空間分解測定を可能とするシステムであって、光源3と、光源3から出射されたポンプ光線を通過させる偏光方位角回転装置4と、偏光方位角回転装置4を通過したポンプ光線を集光するレンズ5と、試料2に照射されたポンプ光線のスポット8内に誘起されポンプ光線のスポット8外に伝播されたスピン波の関数の情報を得るために、何れかの光源(図示省略)から出射されたプローブ光線を試料2に透過させることにより、当該プローブ光線の偏光方位回転角を測定可能とする偏光方位回転角の測定器6とから構成される。   A spin wave induction / initial phase control system 10 shown in FIG. 2 is a system in which main components of the spin wave induction / initial phase control apparatus 1 shown in FIG. By applying an external magnetic field in the x direction in 2, the initial spin in the sample 2 is directed in the direction of the initial magnetic field, a pump beam is incident in the z direction of the sample 2, and is generated by spin using the pump-probe method. A system that enables time-space-resolved measurement of a spin wave, which is a light source 3, a polarization azimuth rotation device 4 that passes a pump beam emitted from the light source 3, and a pump beam that has passed through the polarization azimuth rotation device 4 In order to obtain information on the function of the spin wave that is induced in the spot 8 of the pump beam irradiated to the sample 2 and propagated outside the spot 8 of the pump beam, either light source (see FIG. By transmitting the probe light emitted from the drawings) to the sample 2, and a polarization direction rotation angle of the measuring instrument 6 for enabling measurement of polarization direction rotation angle of the probe beam.

試料2は、例えば、希土類鉄ガーネットのようなフェリ磁性絶縁体である。   Sample 2 is, for example, a ferrimagnetic insulator such as rare earth iron garnet.

電磁石41は、外部磁場を印加するために用いられる。スピン波の分散関係そのものは印加する外部磁場と異方性磁場のベクトル和として表される初期磁場に依存している。なお、電磁石41の磁場強度は約1kOeである。   The electromagnet 41 is used for applying an external magnetic field. The dispersion relation of the spin wave itself depends on the initial magnetic field expressed as the vector sum of the applied external magnetic field and anisotropic magnetic field. The magnetic field intensity of the electromagnet 41 is about 1 kOe.

光源3は、例えば、フェムト秒パルスレーザー光源である。この光源3は、具体的には、中心波長800nm、時間幅150fs程度からなる光パルスを1kHzの繰り返し周波数で生成する、再生増幅チタンサファイアレーザー等を用いるようにしてもよい。この光源3の光のパルスエネルギーは、約1mJである。   The light source 3 is, for example, a femtosecond pulse laser light source. Specifically, the light source 3 may be a regenerative amplification titanium sapphire laser or the like that generates an optical pulse having a center wavelength of 800 nm and a time width of about 150 fs at a repetition frequency of 1 kHz. The light pulse energy of the light source 3 is about 1 mJ.

ビームスプリッター11は、光源3から出射された光パルスをポンプ光線とプローブ光線に分離する。ビームスプリッター11は、この分離された光パルスのうちの約80%の光パルスをポンプ光線として光パラメトリック増幅器12側に導き、残りの約20%の光パルスをプローブ光線として遅延ステージ24側へと導く。   The beam splitter 11 separates the light pulse emitted from the light source 3 into a pump beam and a probe beam. The beam splitter 11 guides about 80% of the separated optical pulses as a pump beam to the optical parametric amplifier 12 side, and the remaining about 20% of the optical pulses as a probe beam to the delay stage 24 side. Lead.

光パラメトリック増幅器12は、ポンプ光線の波長を約1200〜2400nmに変換する。光線が光パラメトリック増幅器12を通過すると、例えば波長約1800nmのアイドラー光と波長約1400nmのシグナル光との2つの波長が生まれる。そのうちシグナル光だけがチョッパー13へと導かれる。この光パラメトリック増幅器12を通過した光線のパルスエネルギーは、約30μJである。   The optical parametric amplifier 12 converts the wavelength of the pump beam to about 1200 to 2400 nm. When the light beam passes through the optical parametric amplifier 12, two wavelengths, for example, idler light having a wavelength of about 1800 nm and signal light having a wavelength of about 1400 nm are generated. Among them, only the signal light is guided to the chopper 13. The pulse energy of the light beam that has passed through the optical parametric amplifier 12 is about 30 μJ.

チョッパー13は、光パラメトリック増幅器12により波長変換されるポンプ光線の繰り返し周波数の半分の周波数で周期的に断続することにより、当該ポンプ光線を周期的にチョッピングする。チョッパー13は、光反射部と光透過部とが周方向に交互に配された回転ディスクとして構成され、モータの回転駆動によってポンプ光線を周期的に反射させ又は通過させるようにしてもよい。このチョッパー13を配設する目的は、取得すべき信号のSN比を向上させるためである。チョッパー13により変調されたポンプ光線は、ビームスプリッター14に導かれる。    The chopper 13 periodically chops the pump light by periodically interrupting at half the repetition frequency of the pump light whose wavelength is converted by the optical parametric amplifier 12. The chopper 13 may be configured as a rotating disk in which light reflecting portions and light transmitting portions are alternately arranged in the circumferential direction, and the pump light beam may be periodically reflected or passed by rotating the motor. The purpose of disposing the chopper 13 is to improve the signal-to-noise ratio of the signal to be acquired. The pump beam modulated by the chopper 13 is guided to the beam splitter 14.

ビームスプリッター14は、チョッパー13でチョップされたポンプ光線のうち約90%の光をそのまま透過させるとともに、残りの約10%の光を、これと略直角方向に折り曲げて光検出器15に導く。    The beam splitter 14 transmits about 90% of the pump light chopped by the chopper 13 as it is, and guides the remaining about 10% of light to the photodetector 15 by bending it in a direction substantially perpendicular thereto.

光検出器15は、ポンプ光線の強度をモニタリングすることができる。光パラメトリック増幅器12から出射されたポンプ光線の繰り返し周波数の半分の周波数として、1kHzのポンプ光線をチョッパー13でチョップすると、500Hzに低下する。この強度を光検出器15で検出することができる。   The photodetector 15 can monitor the intensity of the pump beam. When a pump beam of 1 kHz is chopped by the chopper 13 as a half frequency of the repetition frequency of the pump beam emitted from the optical parametric amplifier 12, the frequency drops to 500 Hz. This intensity can be detected by the photodetector 15.

ミラー16は、入射されてくるポンプ光線を略直角方向に反射させることによりその光路を変更する反射板として構成される。この中で、ミラー16は、ビームスプリッター14を透過したポンプ光線の光路を略直角方向に折り曲げて試料2側へと導く。   The mirror 16 is configured as a reflector that changes the optical path of the incident pump beam by reflecting the incident pump beam in a substantially perpendicular direction. Among these, the mirror 16 bends the optical path of the pump beam transmitted through the beam splitter 14 in a substantially right angle direction and guides it to the sample 2 side.

偏光子18は、ミラー16で反射されたポンプ光線の偏光を直線偏光にして偏光方位角回転手段4へと導く。   The polarizer 18 converts the polarization of the pump beam reflected by the mirror 16 into linearly polarized light and guides it to the polarization azimuth rotation means 4.

偏光方位角回転装置4は、例えば、1/2波長板で構成される。偏光方位角回転装置4は、ポンプ光線の偏光方位角を自在に回転させることができる。しかし、偏光方位角回転装置4は、これに限定されることなく、ポンプ光線の偏光方位角を自在に回転させることができれば、例えば、空間光位相変調器といったものでもよい。   The polarization azimuth rotation device 4 is composed of, for example, a half-wave plate. The polarization azimuth rotation device 4 can freely rotate the polarization azimuth angle of the pump beam. However, the polarization azimuth rotation device 4 is not limited to this, and may be a spatial light phase modulator, for example, as long as the polarization azimuth angle of the pump beam can be freely rotated.

レンズ5は、ポンプ光線を試料2に集光する。ポンプ光線は、このレンズ5により直径約50μmに絞られて試料2に到達する。   The lens 5 collects the pump beam on the sample 2. The pump beam is reduced to a diameter of about 50 μm by the lens 5 and reaches the sample 2.

ミラー21、28は、入射されてくるプローブ光線を反射させることによりその光路を変更する反射板として構成される。ミラー21は、ビームスプリッター11を透過したプローブ光線を略直角方向に反射させて遅延ステージ24側へ導く。ミラー28は、この偏光ビームスプリッター22により折り曲げられて到達するプローブ光線を試料2側へと反射させる。   The mirrors 21 and 28 are configured as reflecting plates that change the optical path by reflecting the incident probe beam. The mirror 21 reflects the probe beam transmitted through the beam splitter 11 in a substantially right angle direction and guides it to the delay stage 24 side. The mirror 28 reflects the probe light beam that is bent by the polarizing beam splitter 22 and reaches the sample 2 side.

偏光ビームスプリッター22は、プローブ光線におけるP偏光を透過し、S偏光を反射する。   The polarization beam splitter 22 transmits the P-polarized light in the probe beam and reflects the S-polarized light.

1/4波長板23は、この光学軸をプローブ光線の直線偏光の面に対してプラス45°又はマイナス45°に傾けると、プローブ光線の直線偏光は、それぞれ右回り又は左回りの円偏光とすることができる。   When the ¼ wavelength plate 23 tilts this optical axis to plus 45 ° or minus 45 ° with respect to the plane of linear polarization of the probe beam, the linear polarization of the probe beam becomes clockwise or counterclockwise circularly polarized light, respectively. can do.

遅延ステージ24は、可動ミラー25と固定ミラー27によるプローブ光路長の調整のために利用される。可動ミラー25は図1中の右方に移動したときプローブ光路長が長く、また図1中の左方に移動したときプローブ光路長が短く調整されることになる。従って、遅延ステージ24は、可動ミラー25の移動により、ポンプ光パルスとプローブ光パルスとの遅延時間を調整することが可能となる。また固定ミラー27は、可動ミラー25から垂直に入射したプローブ光線を垂直に反射させることで、入射光の光路上に正確に反射光を戻すことができる。ここで、プローブ光路長の可変範囲は、一般的には、90cm程度であり、プローブ光パルスとポンプ光パルスとの間に、0〜3nsの遅延時間の設定範囲を与えることになる。   The delay stage 24 is used for adjusting the probe optical path length by the movable mirror 25 and the fixed mirror 27. The movable mirror 25 is adjusted to have a long probe optical path length when moved to the right in FIG. 1, and to a short probe optical path length when moved to the left in FIG. Therefore, the delay stage 24 can adjust the delay time between the pump light pulse and the probe light pulse by the movement of the movable mirror 25. The fixed mirror 27 can return the reflected light accurately on the optical path of the incident light by vertically reflecting the probe light incident vertically from the movable mirror 25. Here, the variable range of the probe optical path length is generally about 90 cm, and a delay time setting range of 0 to 3 ns is given between the probe light pulse and the pump light pulse.

なお、遅延ステージ24は、プローブ光線の光路を調整することにより時間遅延させる場合を例にとり説明したが、これに限定されるものではなく、ポンプ光線の光路上に設けるようにしてもよい。これにより、ポンプ光線の光路を調整することにより時間を遅延させることも可能となる。   The delay stage 24 has been described by taking as an example the case of time delay by adjusting the optical path of the probe beam, but is not limited to this, and may be provided on the optical path of the pump beam. Accordingly, it is possible to delay the time by adjusting the optical path of the pump beam.

ここで、光源3を出射されたプローブ光線は、P偏光のままミラー21を反射され、偏光ビームスプリッター22を透過して1/4波長板23に到達する。このP偏光は、1/4波長板23により左回りの円偏光に変換される。この左回り円偏光は、遅延ステージ24の可動ミラー25及び固定ミラー27で反射されると右回りの円偏光に変換される。この右回りの円偏光が、一度通過した1/4波長板23を再度通過すると、S偏光に変換される。S偏光は、偏光ビームスプリッター22により略直角方向に反射されてミラー28側に導かれる。   Here, the probe beam emitted from the light source 3 is reflected by the mirror 21 while being P-polarized light, passes through the polarization beam splitter 22, and reaches the quarter-wave plate 23. This P-polarized light is converted into counterclockwise circularly polarized light by the quarter-wave plate 23. This counterclockwise circularly polarized light is converted into clockwise circularly polarized light when reflected by the movable mirror 25 and the fixed mirror 27 of the delay stage 24. When the clockwise circularly polarized light passes through the quarter wavelength plate 23 once passed, it is converted to S polarized light. S-polarized light is reflected in a substantially right angle direction by the polarization beam splitter 22 and guided to the mirror 28 side.

NDフィルタ26は、プローブ光線の強度調整を行う。試料2に照射されるプローブ光線の強度が強過ぎる場合は、試料2を損傷する可能性があり、弱過ぎる場合は、プローブ光線の信号が見えなくなる。このため、このNDフィルタ26によりプローブ光線の強度調整を行う必要がある。   The ND filter 26 adjusts the intensity of the probe beam. If the intensity of the probe beam applied to the sample 2 is too strong, the sample 2 may be damaged. If it is too weak, the signal of the probe beam becomes invisible. For this reason, it is necessary to adjust the intensity of the probe beam by the ND filter 26.

このNDフィルタ26を通過後、プローブ光線の強度は、更に低下し、試料2に照射される直前には、ポンプ光線とプローブ光線との強度比は、約1000:1までに達する。このようにプローブ光線の強度をポンプ光線の強度よりも非常に小さくすることで、試料2中に誘起されるスピン波のプローブ光線による影響を小さく抑えることができる。   After passing through the ND filter 26, the intensity of the probe beam further decreases, and immediately before the sample 2 is irradiated, the intensity ratio between the pump beam and the probe beam reaches about 1000: 1. Thus, by making the intensity of the probe light much smaller than the intensity of the pump light, the influence of the spin wave induced in the sample 2 due to the probe light can be kept small.

レンズ55は、ミラー28で反射されたプローブ光線を集光するとともに、集光したプローブ光線を、試料2の表面に対して、試料2の法線の7°方向から照射する。   The lens 55 collects the probe light beam reflected by the mirror 28 and irradiates the collected probe light beam on the surface of the sample 2 from the 7 ° direction of the normal line of the sample 2.

偏光方位回転角の測定器6は、ウォラストンプリズム33と、光検出器34と、光検出器35とを備える。   The polarization azimuth measuring device 6 includes a Wollaston prism 33, a photodetector 34, and a photodetector 35.

ウォラストンプリズム33は、入射したプローブ光線を2つの直交した直線偏光に分離する。ここで、ポンプ光線を試料2に照射しない場合は、ウォラストンプリズム33に垂直に入射したプローブ光線の偏光面に対して、プラス45°とマイナス45°の直交した同じ強度の直線偏光に分離する。しかし、ポンプ光線を試料2に照射する場合は、スピン波の誘起によってプローブ光線にファラデー回転が起きる。これにより、ウォラストンプリズム33に垂直に入射したプローブ光線のプラス45°とマイナス45°に分離したプローブ光線の強度が異なる結果となる。   The Wollaston prism 33 separates the incident probe beam into two orthogonal linearly polarized lights. Here, when the sample 2 is not irradiated with the pump beam, it is separated into the linearly polarized light of the same intensity perpendicular to plus 45 ° and minus 45 ° with respect to the polarization plane of the probe beam perpendicularly incident on the Wollaston prism 33. . However, when the sample 2 is irradiated with a pump beam, Faraday rotation occurs in the probe beam due to the induction of the spin wave. As a result, the intensity of the probe light beam separated into + 45 ° and −45 ° of the probe light beam perpendicularly incident on the Wollaston prism 33 is different.

光検出器34、35は、ウォラストンプリズム33で2つに分離されたプローブ光線の強度をそれぞれ測定する。光検出器34と光検出器35で検出されたプローブ光線の強度の差分をとることでプローブ光線の偏光方位回転角を測定し、試料2中を伝播したスピン波の関数の面直方向の情報を得ることができる。   The photodetectors 34 and 35 measure the intensity of the probe beam separated into two by the Wollaston prism 33, respectively. The polarization azimuth rotation angle of the probe beam is measured by taking the difference in the intensity of the probe beam detected by the photodetector 34 and the photodetector 35, and information on the perpendicular direction of the function of the spin wave propagated in the sample 2 Can be obtained.

ポンプ光線は、繰り返し周波数約500Hzであり、その強度は、光検出器15で検出される。また試料2を透過したプローブ光線は、約1kHzであり、その強度は、光検出器34と、光検出器35で検出される。この光検出器15、34、35で検出されたそれぞれの強度を比較することで、ポンプ光線のONとOFFを区別することができる。   The pump beam has a repetition frequency of about 500 Hz, and its intensity is detected by the photodetector 15. The probe beam that has passed through the sample 2 is about 1 kHz, and its intensity is detected by the photodetector 34 and the photodetector 35. By comparing the intensities detected by the photodetectors 15, 34, and 35, it is possible to distinguish ON and OFF of the pump beam.

次に、本発明を適用した試料2中を伝播するスピン波の誘起・初期位相制御装置1及びスピン波の誘起・初期位相制御システム10におけるスピン波の誘起・初期位相制御方法について、図1〜7を参照しながら詳細に説明する。   Next, a spin wave induction / initial phase control apparatus 1 and a spin wave induction / initial phase control system 10 and a spin wave induction / initial phase control system 10 to which the present invention is applied will be described with reference to FIGS. This will be described in detail with reference to FIG.

図3は、試料2に外部磁場を与えた際の試料2中の初期磁場H0と初期スピンM0の状態を示した概念図である。図4は、光源から出射されたポンプ光線を試料2に照射した際に、合成磁場HとスピンMの方向が、それぞれ初期磁場H0と初期スピンM0から変化した状態を示した概念図である。図5は、ポンプ光線を試料2に照射した後に、合成磁場HのまわりをスピンMが歳差運動を行っている状態を示した概念図である。図6は、偏光方位角回転装置4により、ポンプ光線の偏光方位角φが変化した状態を示した概念図である。図7は、図5のスピンMが歳差運動を行うことにより誘起されたスピン波が周囲に伝播する様子をプローブ光線により検出している状態を示した概念図である。 FIG. 3 is a conceptual diagram showing the state of the initial magnetic field H 0 and the initial spin M 0 in the sample 2 when an external magnetic field is applied to the sample 2. FIG. 4 is a conceptual diagram showing a state in which the directions of the synthetic magnetic field H and the spin M are changed from the initial magnetic field H 0 and the initial spin M 0 when the sample 2 is irradiated with the pump beam emitted from the light source. is there. FIG. 5 is a conceptual diagram showing a state where the spin M is precessing around the synthetic magnetic field H after the sample 2 is irradiated with the pump beam. FIG. 6 is a conceptual diagram showing a state in which the polarization azimuth angle φ of the pump beam is changed by the polarization azimuth rotation device 4. FIG. 7 is a conceptual diagram showing a state in which the state in which the spin wave induced by the precession of the spin M in FIG. 5 propagates to the surroundings is detected by the probe beam.

まず、図2〜7を参照しながら、スピン波の誘起・初期位相制御システム10におけるスピン波の誘起・伝播制御方法について説明する。   First, a spin wave induction / propagation control method in the spin wave induction / initial phase control system 10 will be described with reference to FIGS.

まず図3に示す試料2のx方向に外部磁場を与えることで、外部磁場と異方性磁場のベクトル和として初期磁場H0が生じて、初期磁場H0の向きに初期スピンM0の向きが揃えられる。次に図4に示す光源3から出射されたポンプ光線を偏光方位角回転装置4を介して、当該ポンプ光線をレンズ5により集光させて試料2に照射する。このとき、図4に示す初期磁場H0と磁気異方性変調により生じた磁場ΔHのベクトル和が合成磁場Hである。 First, by applying an external magnetic field in the x direction of the sample 2 shown in FIG. 3, an initial magnetic field H 0 is generated as a vector sum of the external magnetic field and the anisotropic magnetic field, and the direction of the initial spin M 0 in the direction of the initial magnetic field H 0. Are aligned. Next, the pump beam emitted from the light source 3 shown in FIG. 4 is condensed by the lens 5 through the polarization azimuth rotating device 4 and irradiated onto the sample 2. At this time, the vector sum of the initial magnetic field H 0 and the magnetic field ΔH generated by the magnetic anisotropy modulation shown in FIG.

更に初期磁場H0と同じ向きであった初期スピンM0と逆コットン・ムートン効果により生じたスピン変調ΔMとのベクトル和がスピンMである。図5に示すようにこの合成磁場Hの周囲をスピンMが回転して歳差運動を始める。このスピンMの歳差運動がポンプ光線のスポット8内だけでなくポンプ光線のスポット8外にも伝播して、ポンプ光線のスポット8外でもスピンMの歳差運動が始まり、スピン波が誘起される。 Further, the spin M is the vector sum of the initial spin M 0 that is in the same direction as the initial magnetic field H 0 and the spin modulation ΔM generated by the inverse cotton-Mouton effect. As shown in FIG. 5, the spin M rotates around the synthetic magnetic field H to start precession. The precession of the spin M propagates not only in the spot 8 of the pump beam but also outside the spot 8 of the pump beam, and the precession of the spin M starts outside the spot 8 of the pump beam, and a spin wave is induced. The

次に図6に示す偏光方位角回転装置4に入射するポンプ光線である直線偏光L1の偏光方位角φ1から直線偏光L2の偏光方位角φ2まで偏光方位角φ1と偏光方位角φ2の差分θだけ変化させる。これにより、試料2に照射されたポンプ光線のスポット8に誘起されたスピン波の初期位相を変化させる。 Then the linearly polarized light L polarization azimuth angle phi 1 from the polarization azimuth angle phi 1 to polarization azimuth angle phi 2 of the linearly polarized light L 2 of 1 and the polarization azimuth is a pump light ray incident on the polarization azimuth angle spinning device 4 shown in FIG. 6 Change by the difference θ of φ 2 . As a result, the initial phase of the spin wave induced in the spot 8 of the pump beam irradiated on the sample 2 is changed.

更に、図7に示すようにプローブ光線を試料2に照射して透過させ、その透過したプローブ光線の偏光方位回転角を偏光方位回転角の測定器6により検出し、試料2中を伝播するスピン波の関数の情報を得る。   Further, as shown in FIG. 7, the sample 2 is irradiated with the probe beam and transmitted, the polarization azimuth rotation angle of the transmitted probe beam is detected by the measuring device 6 of the polarization azimuth rotation angle, and the spin propagating through the sample 2. Get wave function information.

次に、図1を参照しながら、スピン波の誘起・初期位相制御装置1を用いて行われるスピン波の誘起・初期位相制御方法について説明する。   Next, a spin wave induction / initial phase control method performed using the spin wave induction / initial phase control apparatus 1 will be described with reference to FIG.

このスピン波の誘起・初期位相制御装置1においては、ポンプ・プローブ法によりプローブ光線の光路途中に置かれた遅延ステージ24の可動ミラー25を物理的に移動させることによりプローブ光路長を変更して、ポンプ光線との間の遅延時間を調整する。   In this spin wave induction / initial phase control apparatus 1, the probe optical path length is changed by physically moving the movable mirror 25 of the delay stage 24 placed in the optical path of the probe beam by the pump-probe method. Adjust the delay time between the pump beam.

ポンプ光線は、チョッパー13によりチョッピングされた後に試料2に照射される。このポンプ光線の照射により、試料2中のポンプ光線のスポット8内にスピン波が誘起され、そのスピン波が当該ポンプ光線のスポット8外に伝播することになる。   The pump beam is applied to the sample 2 after being chopped by the chopper 13. By irradiation with the pump beam, a spin wave is induced in the spot 8 of the pump beam in the sample 2, and the spin wave propagates outside the spot 8 of the pump beam.

またプローブ光線は、試料2に対して試料2の法線の7°方向から入射され、偏光方位回転角の測定器6でプローブ光線の偏光方位回転角が測定され、伝播するスピン波の関数の情報が分析される。ここで、偏光方位角回転装置4で試料2中に照射されるポンプ光線の偏光方位角を回転することにより、試料2中のポンプ光線のスポット8に誘起されるスピン波の初期位相が変化する。ポンプ光線とプローブ光線とは、遅延ステージ24による遅延時間をずらし、ポンプ光線に対するプローブ光線の相対的な2次元位置をずらしていくことで、スピン波の時間空間分解が可能となり、時間空間的なスピン波の関数の情報を得ることができる。   The probe beam is incident on the sample 2 from the direction of 7 ° of the normal of the sample 2, the polarization azimuth rotation angle of the probe beam is measured by the polarization azimuth rotation angle measuring device 6, and the function of the propagating spin wave is measured. Information is analyzed. Here, by rotating the polarization azimuth angle of the pump beam irradiated into the sample 2 by the polarization azimuth rotation device 4, the initial phase of the spin wave induced in the spot 8 of the pump beam in the sample 2 changes. . The pump beam and the probe beam are shifted in the delay time by the delay stage 24, and the relative two-dimensional position of the probe beam with respect to the pump beam is shifted. Information on the function of the spin wave can be obtained.

なお、スピン波の誘起・初期位相制御装置1及びスピン波の誘起・初期位相制御システム10で使用されるプローブ光線は、ポンプ光線により誘起され伝播されるスピン波の情報を検出するための一つの手段である。従って、スピン波の情報を検出できれば、プローブ光線に限定されることなく、いかなる手段であってもよい。   The probe light beam used in the spin wave induction / initial phase control device 1 and the spin wave induction / initial phase control system 10 is one for detecting information of the spin wave induced and propagated by the pump beam. Means. Therefore, any means may be used without being limited to the probe beam as long as the information of the spin wave can be detected.

次に本発明を適用した図1に示されたスピン波の誘起・初期位相制御装置1によるポンプ・プローブ法による実験結果を示し、その数値計算モデルについて説明する。   Next, an experimental result by the pump-probe method by the spin wave induction / initial phase control apparatus 1 shown in FIG.

図8は、ポンプ・プローブ法により観測した、ポンプ光線が試料2に照射されて誘起されたスピン歳差運動の時間的な変化をポンプ光線の偏光方位角ごとに示した図である。図8は、ポンプ光線に対するプローブ光線の遅延時間を横軸にとり、ポンプ光線の図6の外部磁場と同じ向きであるx方向からの角度である偏光方位角φを−90°、−60°、−30°、0°、30°、60°、90°とした時のプローブ光線の偏光方位回転角を縦軸としてプロットし、それぞれグラフg1〜g7に示した実験結果である。この図8に示すピークPが、P1からP7まで変化している。これにより、直線偏光でポンプした時にガーネットにスピン歳差運動が誘起されることが示された。またポンプ光線の偏光方位角φの変化によりスピン波の初期位相Cが変化することが実証された。 FIG. 8 is a diagram showing the temporal change of the spin precession induced by irradiating the sample 2 with the pump beam, observed by the pump-probe method, for each polarization azimuth angle of the pump beam. 8 shows the delay time of the probe beam with respect to the pump beam on the horizontal axis, and the polarization azimuth angle φ, which is an angle from the x direction that is the same direction as the external magnetic field of FIG. 6 of the pump beam, is −90 °, −60 °, The experimental results shown in graphs g1 to g7 are plotted with the polarization azimuth rotation angle of the probe beam at −30 °, 0 °, 30 °, 60 °, and 90 ° as the vertical axis. The peak P shown in FIG. 8 changes from P 1 to P 7 . This showed that spin precession was induced in the garnet when pumped with linearly polarized light. It was also demonstrated that the initial phase C of the spin wave changes due to the change in the polarization azimuth angle φ of the pump beam.

図9は、図8の実験グラフのうち、ポンプ光線の偏光方位角が−60°の場合を抽出して、そのグラフをフィッティングさせた数値解析結果を示した図である。図9のフィッティングさせた数値解析結果は、式(3)で表すことができる。なお、図9に示す縦軸のプローブ光線の偏光方位回転角の単位は、図8に示す縦軸のプローブ光線の偏光方位回転角の単位をオフセットしたものである。   FIG. 9 is a diagram showing a numerical analysis result obtained by extracting the case where the polarization azimuth angle of the pump beam is −60 ° from the experimental graph of FIG. 8 and fitting the graph. The numerical analysis result obtained by fitting in FIG. 9 can be expressed by Expression (3). The unit of the polarization direction rotation angle of the probe beam on the vertical axis shown in FIG. 9 is obtained by offsetting the unit of the polarization direction rotation angle of the probe beam on the vertical axis shown in FIG.

この式(3)のA、B、C、D、Eは、フィッティングパラメータである。このうち、特にAは振動振幅を表し、Bは緩和時間を表し、Cは初期位相を表している。   A, B, C, D, and E in this equation (3) are fitting parameters. Among these, in particular, A represents the vibration amplitude, B represents the relaxation time, and C represents the initial phase.

図10(a)は、ポンプ光線の偏光方位角φとプローブ光線の偏光方位回転角の振動振幅Aの関係を表した実験結果を示した図である。図10(b)は、ポンプ光線の偏光方位角φとプローブ光線の偏光方位回転角の振動の初期位相Cの関係を表した実験結果を示した図である。図10(a)(b)は、図9で示したグラフg6のフィッティングを、他のグラフg1〜g5、g7も含めて、更に細かく複数の偏光方位角φを設定している。更に式(3)を適用して、その偏光方位角φに対応する振動振幅Aと初期位相Cを抽出して、偏光方位角φと振動振幅Aとの関係及び偏光方位角φと初期位相Cとの関係を示している。   FIG. 10A is a diagram showing experimental results showing the relationship between the vibration azimuth A of the polarization azimuth angle φ of the pump beam and the polarization azimuth rotation angle of the probe beam. FIG. 10B is a diagram showing experimental results showing the relationship between the polarization azimuth angle φ of the pump beam and the initial phase C of vibration of the polarization azimuth rotation angle of the probe beam. 10A and 10B, a plurality of polarization azimuth angles φ are set more finely including the fitting of the graph g6 shown in FIG. 9 including the other graphs g1 to g5 and g7. Further, the equation (3) is applied to extract the vibration amplitude A and the initial phase C corresponding to the polarization azimuth angle φ, and the relationship between the polarization azimuth angle φ and the vibration amplitude A and the polarization azimuth angle φ and the initial phase C. Shows the relationship.

この図10(b)から、ポンプ光の偏光方位角φの連続的な変化に対して初期位相Cが連続的に変化していることが明らかとなった。   FIG. 10B shows that the initial phase C continuously changes with respect to the continuous change in the polarization azimuth angle φ of the pump light.

次に、本発明を適用した図2に示されたスピン波の誘起・初期位相制御システム10における数値計算モデルについて説明する。   Next, a numerical calculation model in the spin wave induction / initial phase control system 10 shown in FIG. 2 to which the present invention is applied will be described.

光照射時のスピンMと合成磁場Hの変調メカニズムとして次の2つの変調を仮定する。1つは逆コットン・ムートン効果により変調されたスピンMが生じることであり、もう1つは磁気異方性変調により変調された合成磁場Hが生じることである。   As the modulation mechanism of the spin M and the synthetic magnetic field H at the time of light irradiation, the following two modulations are assumed. One is that a spin M modulated by the inverse cotton Mouton effect is generated, and the other is that a synthetic magnetic field H modulated by magnetic anisotropy modulation is generated.

逆コットン・ムートン効果は、式(4)のようにスピン変調ΔMが初期スピンM0と入射ポンプ光電場Eの2次に比例するものといえる。 The inverse cotton-Mouton effect can be said to be that the spin modulation ΔM is proportional to the second order of the initial spin M 0 and the incident pump photoelectric field E as shown in the equation (4).

一方、磁気異方性変調はポンプ光線の照射により、異なる価数のFeイオン間で電荷移動が起こり、その結果としてΔHが生じる現象である。変調量と入射ポンプ光電場の関係は現象論的に次の式(5)のように表されると仮定する。   On the other hand, magnetic anisotropy modulation is a phenomenon in which charge transfer occurs between Fe ions having different valences by irradiation with pump light, and as a result ΔH occurs. It is assumed that the relationship between the modulation amount and the incident pump photoelectric field is phenomenologically expressed as the following equation (5).

式(5)は、磁気異方性変調を表現する式である。ここで、Ek、Elは、スピンと同様である。(i,j,k,l)は(x,y,z)を示す。 Expression (5) is an expression expressing magnetic anisotropy modulation. Here, E k and El are the same as spin. (I, j, k, l) represents (x, y, z).

ここで磁化の運動と実験結果として得られる偏光方位回転角の対応関係について述べる。ポンプ光線による逆コットン・ムートン効果及び磁気異方性変調を受けた直後のスピンMと合成磁場HのベクトルをベクトルM(t)、ベクトルHとおく。   Here, the correspondence between the magnetization motion and the polarization azimuth rotation angle obtained as an experimental result is described. Vectors M (t) and H are the vectors of spin M and synthetic magnetic field H immediately after receiving the inverse cotton-Mouton effect and magnetic anisotropy modulation by the pump beam.

スピンM(t)と合成磁場Hは、以下の式で表すことができる。   The spin M (t) and the synthetic magnetic field H can be expressed by the following equations.

図11は、合成磁場HのまわりをスピンM(t)が歳差運動を行う際のベクトルu1、ベクトルu2、ベクトルu3の関係を示した概念図である。 FIG. 11 is a conceptual diagram showing the relationship between the vector u 1 , the vector u 2 , and the vector u 3 when the spin M (t) precesses around the synthetic magnetic field H.

また、ベクトルM(t)は、ベクトルu1、ベクトルu2、ベクトルu3を用いて、以下のような数式で表すことができる。
Further, the vector M (t) can be expressed by the following mathematical formula using the vector u 1 , the vector u 2 , and the vector u 3 .

ここで、式(10)のz成分を抽出して、式(3)と等しいと仮定する。   Here, it is assumed that the z component of Expression (10) is extracted and is equal to Expression (3).

即ち、式(14)は、以下の式(1)のように変形できる。   That is, the equation (14) can be transformed as the following equation (1).

式(1)は、初期位相Cが、ベクトルu1とベクトルu2の変数により制御できることを示している。 Equation (1) shows that the initial phase C can be controlled by the variables of the vector u 1 and the vector u 2 .

式(15)は、ポンプ光線の偏光方位角φとポンプ光電場Ex、Eyとの関係を示している。 Expression (15) shows the relationship between the polarization azimuth angle φ of the pump beam and the pump photoelectric fields E x and E y .

図12(a)は、ポンプ光線の偏光方位角φとu1zの関係を表した実験結果と数値解析結果を示した図である。図12(b)は、ポンプ光線の偏光方位角φとu2zの関係を表した実験結果と数値解析結果を示した図である。 FIG. 12A is a diagram showing experimental results and numerical analysis results showing the relationship between the polarization azimuth angle φ and u 1z of the pump beam. FIG. 12B is a diagram showing experimental results and numerical analysis results showing the relationship between the polarization azimuth angle φ of pump light and u 2z .

図12(a)に示す点線で表されたグラフは、u1zとポンプ光線の偏光方位角φとの実験結果を示し、実線で表されたグラフは、u1zとポンプ光線の偏光方位角φとの式(1)〜式(15)に示されるモデルによって計算させたu1zとポンプ光線の偏光方位角φとの関係を示す。また図12(b)に示す点線で表されたグラフは、u2zとポンプ光線の偏光方位角φとの実験結果を示し、実線で表されたグラフは、u2zとポンプ光線の偏光方位角φとの式(1)〜式(15)によって計算されたu2zとポンプ光線の偏光方位角φとの関係を示す。 Graph by a dotted line shown in FIG. 12 (a) shows the experimental results with the polarization azimuth angle φ of u 1z and the pump light, the graph represented by the solid line, the polarization azimuth of u 1z and the pump light φ The relationship between u 1z calculated by the models shown in Equations (1) to (15) and the polarization azimuth angle φ of the pump beam is shown. 12B shows the experimental results of u 2z and the polarization azimuth angle φ of the pump beam, and the graph represented by a solid line shows the polarization azimuth angle of u 2z and the pump beam. The relationship between u 2z calculated by the equations (1) to (15) with φ and the polarization azimuth angle φ of the pump beam is shown.

この図12より、実験結果と数値解析結果はフィッティングが可能となり、磁気異方性変調と、逆コットン・ムートン効果が同時に発生していることが示めされ、スピン波の初期位相の偏光方位角依存性が証明された。即ち、偏光方位角回転装置4でポンプ光線の偏光方位角φを回転することにより、試料2に誘起されたスピン波の初期位相Cが制御できることが示された。   FIG. 12 shows that the experimental result and the numerical analysis result can be fitted, and it is shown that the magnetic anisotropy modulation and the inverse cotton-Mouton effect occur simultaneously. The polarization azimuth of the initial phase of the spin wave Dependency proved. That is, it was shown that the initial phase C of the spin wave induced in the sample 2 can be controlled by rotating the polarization azimuth angle φ of the pump beam with the polarization azimuth rotation device 4.

従って、スピン波誘起・初期位相制御装置1及びスピン波誘起・初期位相制御10は、偏光方位角回転装置4によりポンプ光線の偏光方位角φを変化させることにより、(1)式のモデルに基づいてスピン波の初期位相Cを制御することができる。   Therefore, the spin wave induction / initial phase control device 1 and the spin wave induction / initial phase control 10 are based on the model of the equation (1) by changing the polarization azimuth angle φ of the pump beam by the polarization azimuth rotation device 4. Thus, the initial phase C of the spin wave can be controlled.

更に、ポンプ光線の偏光が直線偏光であるため、ポンプ光線の偏光方位角φを連続的に変化させることが可能となり、当該偏光方位角φの連続的な変化に応じて初期位相Cも連続的に変化させることが可能となる。   Further, since the polarization of the pump beam is linearly polarized light, the polarization azimuth angle φ of the pump beam can be continuously changed, and the initial phase C is also continuously changed according to the continuous change of the polarization azimuth angle φ. It becomes possible to change to.

第2実施形態 Second embodiment

次に複数のポンプ光線のスポットに誘起されたスピン波が干渉して合成された合成スピン波が、各スピン波の初期位相それぞれを変化させることにより、合成スピン波の伝播方向制御を行うスピン波誘起・伝播制御装置1´、スピン波誘起・伝播制御システム10´及びスピン波誘起・伝播制御方法について図13〜図20を参照しながら説明する。   Next, the synthesized spin wave synthesized by interference of the spin waves induced by the spots of the plurality of pump beams changes the initial phase of each spin wave, thereby controlling the propagation direction of the synthesized spin wave. The induction / propagation control device 1 ′, the spin wave induction / propagation control system 10 ′, and the spin wave induction / propagation control method will be described with reference to FIGS.

複数のポンプ光線のスポットの中でも2個のポンプ光線のスポットの場合について図13、図14を参照しながら説明する。   The case of two pump beam spots among a plurality of pump beam spots will be described with reference to FIGS.

図13は、本発明を適用したポンプ・プローブ法による2個のポンプ光線のスポットによる合成スピン波の誘起・伝播制御装置1´の構成を示した模式図である。図14は、本発明を適用した図13に示すスピン波の誘起・伝播制御装置1´の主要な構成要素を抽出したスピン波の誘起・伝播相制御システム10´の概念図である。   FIG. 13 is a schematic diagram showing a configuration of a synthetic spin wave induction / propagation control device 1 ′ using two pump beam spots according to the pump-probe method to which the present invention is applied. FIG. 14 is a conceptual diagram of a spin wave induction / propagation phase control system 10 ′ extracted from main components of the spin wave induction / propagation control apparatus 1 ′ shown in FIG. 13 to which the present invention is applied.

図13に示すスピン波の誘起・伝播制御装置1´は、平板の試料2´の面内方向に電磁石41´により外部磁場を印加することにより試料2´中のスピンを初期磁場方向に向けて、試料2´の面直方向にポンプ光線を入射し、ポンプ・プローブ法により当該スピンにより生じるスピン波の時間空間分解測定を行う装置である。   The spin wave induction / propagation control device 1 ′ shown in FIG. 13 applies an external magnetic field by an electromagnet 41 ′ in the in-plane direction of a flat sample 2 ′ to direct the spin in the sample 2 ′ in the initial magnetic field direction. In this apparatus, a pump beam is incident in the direction perpendicular to the surface of the sample 2 ′, and a time-space-resolved measurement of a spin wave generated by the spin is performed by a pump-probe method.

スピン波の誘起・伝播制御装置1´は、光源3´と、光源3´から出射された光線を分離するビームスプリッター11´と、このビームスプリッター11´を通過したポンプ光線の光路上に配されるとともにそのポンプ光線の波長を変換する光パラメトリック増幅器12´と、光パラメトリック増幅器12´によって略直角方向に折り曲げられたポンプ光線の繰り返し周波数の半分の周波数でポンプ光線をチョップするチョッパー13´と、チョッパー13´を通過したポンプ光線を分離するビームスプリッター14´と、分離された一方のポンプ光線の強度を検出する光検出器15´と、分離された他方のポンプ光線を分離するビームスプリッター36´と、ビームスプリッター36´からの一方のポンプ光線を略直角方向に反射させるミラー16´と、ミラー16´で反射されたポンプ光線を直線偏光にする偏光子18a´と、通過したポンプ光線の偏光方位角を回転可能とする偏光方位角回転装置4a´と、偏光方位角回転装置4a´を通過したポンプ光線を集光するレンズ5a´と、ビームスプリッター36´からの他方のポンプ光線を略直角方向に反射させるミラー37´と、ミラー37´で反射されたポンプ光線を略直角方向に反射させて試料2´側へと導くミラー38´と、ミラー38´で反射されたポンプ光線を直線偏光にする偏光子18b´と、通過したポンプ光線の偏光方位角を回転可能とする偏光方位角回転装置4b´と、偏光方位角回転装置4b´を通過したポンプ光線を集光するレンズ5b´とを備えている。   The spin wave induction / propagation control device 1 ′ is arranged on a light source 3 ′, a beam splitter 11 ′ that separates light beams emitted from the light source 3 ′, and an optical path of pump light beams that have passed through the beam splitter 11 ′. And an optical parametric amplifier 12 'for converting the wavelength of the pump beam, and a chopper 13' for chopping the pump beam at a half frequency of the repetition frequency of the pump beam folded in a substantially perpendicular direction by the optical parametric amplifier 12 '; A beam splitter 14 ′ that separates the pump beam that has passed through the chopper 13 ′, a photodetector 15 ′ that detects the intensity of one separated pump beam, and a beam splitter 36 ′ that separates the other separated pump beam. And a mirror 16 'for reflecting one pump beam from the beam splitter 36' in a substantially perpendicular direction. A polarizer 18a ′ that makes the pump beam reflected by the mirror 16 ′ linearly polarized light, a polarization azimuth rotation device 4a ′ that can rotate the polarization azimuth angle of the pump beam that has passed, and a polarization azimuth rotation device 4a 'A lens 5a' for condensing the pump beam passing through ', a mirror 37' for reflecting the other pump beam from the beam splitter 36 'in a substantially right angle direction, and a pump beam reflected by the mirror 37' in a substantially right angle direction. Mirror 38 'that is reflected to the sample 2' side, the polarizer 18b 'that makes the pump beam reflected by the mirror 38' linearly polarized light, and the polarization that enables rotation of the polarization azimuth angle of the passed pump beam An azimuth rotation device 4b ′ and a lens 5b ′ that collects the pump beam that has passed through the polarization azimuth rotation device 4b ′ are provided.

またこのスピン波の誘起・伝播制御装置1´は、ビームスプリッター11´により略直角方向に折り曲げられて分離されたプローブ光線の光路上に配されたミラー21´と、ミラー21´により略直角方向に折り曲げられたプローブ光線を遅延ステージ側へと導く偏光ビームスプリッター22´と、偏光ビームスプリッター22´からのプローブ光線を直線偏光から円偏光に変換する1/4波長板23´と、1/4波長板23´を通過したプローブ光線をポンプ光線に対して時間遅延をつける遅延ステージ24´と、遅延ステージ24´から戻ってきたプローブ光線が偏光ビームスプリッター22´により略直角方向に折り曲げられ、当該プローブ光線の光路上に配されたNDフィルタ26´と、NDフィルタ26´を通過したプローブ光線を試料2´側へと反射させるミラー28´と、ミラー28´で反射されたプローブ光を集光するレンズ55´と、試料2´を透過したプローブ光の偏光回転角を測定する偏光方位回転角の測定器6´とを備えている。   In addition, the spin wave induction / propagation control device 1 ′ includes a mirror 21 ′ disposed on the optical path of the probe beam bent and separated in a substantially right angle direction by a beam splitter 11 ′, and a substantially right angle direction by the mirror 21 ′. A polarizing beam splitter 22 'for guiding the probe light beam bent to the delay stage side, a quarter wavelength plate 23' for converting the probe light beam from the polarizing beam splitter 22 'from linearly polarized light to circularly polarized light, and 1/4 A delay stage 24 ′ that delays the probe beam that has passed through the wave plate 23 ′ with respect to the pump beam, and the probe beam that has returned from the delay stage 24 ′ are bent in a substantially right angle direction by the polarization beam splitter 22 ′. An ND filter 26 ′ arranged on the optical path of the probe beam, and the probe beam that has passed through the ND filter 26 ′ is sample 2 ′. Mirror 28 'that reflects to the side, lens 55' that collects the probe light reflected by the mirror 28 ', and a polarization azimuth rotation angle measuring instrument that measures the polarization rotation angle of the probe light that has passed through the sample 2' 6 '.

図14に示すスピン波の誘起・伝播制御システム10´は、平板の試料2´中のx方向に磁場を印加することにより試料2´中の初期スピンを初期磁場の方向に向けて、試料2´の面直方向であるz方向にポンプ光線を入射することで生じるスピン波の時間空間分解測定を可能とするポンプ・プローブ測定システムであって、何れかの光源(図示省略)から出射されたポンプ光線を通過させる偏光方位角回転装置4´と、偏光方位角回転装置4´を通過したポンプ光線を集光するレンズ5´と、試料2´に照射されたポンプ光線のスポット8´内に誘起され、ポンプ光線のスポット8´外に伝播されたスピン波の関数の情報を得るために、何れかの光源(図示省略)から出射されたプローブ光線を試料2´に透過させることにより、当該プローブ光線の偏光方位回転角を測定可能とする偏光方位回転角の測定器6´とから構成される。   The spin wave induction / propagation control system 10 ′ shown in FIG. 14 applies the magnetic field in the x direction in the flat sample 2 ′ so that the initial spin in the sample 2 ′ is directed in the direction of the initial magnetic field. A pump / probe measurement system that enables time-space-resolved measurement of a spin wave generated by entering a pump beam in the z direction, which is the direction perpendicular to the plane of ′, and is emitted from any light source (not shown) A polarization azimuth rotating device 4 'that passes the pump beam, a lens 5' that collects the pump beam that has passed through the polarization azimuth rotating device 4 ', and a spot 8' of the pump beam irradiated on the sample 2 '. In order to obtain information on the function of the spin wave that is induced and propagated outside the spot 8 ′ of the pump beam, the probe beam emitted from any one of the light sources (not shown) is transmitted through the sample 2 ′. Probe beam And a polarization azimuth rotation angle measuring device 6 ′ capable of measuring the polarization azimuth rotation angle.

ここで、図13に示すスピン波誘起・伝播制御装置1´の構成のうち、偏光子18a´、18b´、偏光方位角回転装置4a´、4b´、レンズ5a´、5b´は、それぞれ第1実施形態の偏光子18、偏光方位角回転装置4、レンズ5と同じ構成である。また、その他のビームスプリッター36´と、ミラー37´、ミラー38´の構成以外は、第1実施形態のスピン波誘起・初期位相制御装置1と同じであるため、第1実施形態の構成を引用することにより省略する。   Here, in the configuration of the spin wave induction / propagation control device 1 ′ shown in FIG. 13, the polarizers 18a ′ and 18b ′, the polarization azimuth rotation devices 4a ′ and 4b ′, and the lenses 5a ′ and 5b ′ are respectively the first. The configuration is the same as that of the polarizer 18, the polarization azimuth rotation device 4, and the lens 5 of one embodiment. Further, the configuration of the first embodiment is the same as the configuration of the spin wave induction / initial phase control device 1 of the first embodiment except for the configuration of the other beam splitter 36 ′, the mirror 37 ′, and the mirror 38 ′. Will be omitted.

ビームスプリッター36´は、ポンプ光線のうち50%を透過し、残りの50%を反射する。   The beam splitter 36 'transmits 50% of the pump beam and reflects the remaining 50%.

ミラー37´、38´は、第1実施形態のミラー16と同様に入射されてくるポンプ光線を反射させることによりその光路を変更する反射板として構成される。   The mirrors 37 ′ and 38 ′ are configured as reflecting plates that change the optical path by reflecting the incident pump beam in the same manner as the mirror 16 of the first embodiment.

ここで、図13に示すように、ビームスプリッター36´で分離され、ミラー16´で反射される一方のポンプ光線は、a点、d点を通過して、その後m点で略直角方向に折り曲げられて試料2´上のn点に到達する。この一方のポンプ光線の光路を光路admnと呼ぶこととする。またビームスプリッター36´で分離されたポンプ光線は、a点から一方のポンプ光線の光路と略直角方向に折り曲げられ、b点で略直角方向に折り曲げられて、更にc点でも略直角方向に折り曲げられてd点を通過し、その後試料2´上のh点に到達する。この他方のポンプ光線の光路を光路abcdhと呼ぶこととする。ここで、m点n点間の距離とd点h点間の距離とは等しく、a点m点間の距離と、a点b点間の距離とb点c点間の距離とc点d点間の距離を加えた距離とは等しく設計されている。これにより、光路admnと光路abcdhとの距離は等しくなる。このため、ビームスプリッター36´で分離された2つのポンプ光線は、試料2´上に同時に到達する。従って、図14に示す試料2´上のポンプ光線のスポット8a´とポンプ光線のスポット8b´は、同時に生成される。   Here, as shown in FIG. 13, one of the pump beams separated by the beam splitter 36 ′ and reflected by the mirror 16 ′ passes through points a and d, and then bends in a substantially right angle direction at point m. And reaches the point n on the sample 2 '. The optical path of this one pump beam is called an optical path admn. The pump beam separated by the beam splitter 36 'is bent in a substantially right angle direction from the point a to the optical path of one pump beam, bent in a substantially right angle direction in the b point, and further bent in a substantially right angle direction in the c point. Passes through the point d, and then reaches the point h on the sample 2 '. The other optical path of the pump beam is called an optical path abcdh. Here, the distance between the m point and the n point is equal to the distance between the d point and the h point, the distance between the a point and the m point, the distance between the a point and the b point, the distance between the b point and the c point, and the c point d. It is designed to be equal to the distance including the distance between points. Thereby, the distance between the optical path admn and the optical path abcdh becomes equal. For this reason, the two pump beams separated by the beam splitter 36 ′ simultaneously reach the sample 2 ′. Accordingly, the pump beam spot 8a ′ and the pump beam spot 8b ′ on the sample 2 ′ shown in FIG. 14 are generated simultaneously.

次に、本発明を適用したスピン波の誘起・伝播制御装置1´及びスピン波の誘起・伝播制御システム10´におけるスピン波の誘起・伝播制御方法について、図13、図14を参照しながら詳細に説明する。   Next, the spin wave induction / propagation control method in the spin wave induction / propagation control device 1 ′ and the spin wave induction / propagation control system 10 ′ to which the present invention is applied will be described in detail with reference to FIGS. Explained.

まず、図14を参照しながら、スピン波の誘起・伝播制御システム10´におけるスピン波の誘起・伝播制御方法について説明する。   First, a spin wave induction / propagation control method in the spin wave induction / propagation control system 10 'will be described with reference to FIG.

まず図14に示す試料2´のx方向に外部磁場を与える。何れかの光源(図示省略)から出射された2本のポンプ光線を偏光方位角回転装置4a´、4b´を介して、当該ポンプ光線をレンズ5a´、5b´により集光させて試料2´に照射する。このとき、2本のポンプ光線が試料2´に照射されて形成されたポンプ光線のスポット8a´、8b´に2個のスピン波wa、wbを誘起させて干渉させる。このスピン波wa、wbの干渉により、合成スピン波wcを誘起する。 First, an external magnetic field is applied in the x direction of the sample 2 ′ shown in FIG. Two pump beams emitted from one of the light sources (not shown) are condensed by the lenses 5a ′ and 5b ′ via the polarization azimuth rotating devices 4a ′ and 4b ′, and the sample 2 ′. Irradiate. At this time, two spin waves w a and w b are induced and interfered with the spots 8 a ′ and 8 b ′ of the pump beam formed by irradiating the sample 2 ′ with the two pump beams. A synthetic spin wave w c is induced by the interference of the spin waves w a and w b .

更に、プローブ光線を試料2´に照射して透過させ、その透過したプローブ光線の偏光方位回転角を偏光方位回転角の測定器6により検出し、試料2´中を伝播する合成スピン波wcの関数の情報を得る。 Further, the sample beam 2 ′ is irradiated with the probe beam and transmitted, the polarization azimuth rotation angle of the transmitted probe beam is detected by the measuring device 6 of the polarization azimuth rotation angle, and the synthesized spin wave w c propagating in the sample 2 ′ is detected. Get information about the function.

次に、図13を参照しながら、スピン波の誘起・伝播制御装置1´を用いて行われるスピン波の誘起・伝播制御方法について説明する。   Next, a spin wave induction / propagation control method performed using the spin wave induction / propagation control apparatus 1 ′ will be described with reference to FIG.

このスピン波の誘起・伝播制御装置1´においては、ポンプ・プローブ法によりプローブ光線の光路途中に置かれた遅延ステージ24´の可動ミラー25´を物理的に移動させることによりプローブ光路長を変更して、ポンプ光線との間の遅延時間を調整する。   In this spin wave induction / propagation control device 1 ', the probe optical path length is changed by physically moving the movable mirror 25' of the delay stage 24 'placed in the optical path of the probe beam by the pump-probe method. Then, the delay time between the pump beam is adjusted.

光源3´から出射したポンプ光線をビームスプリッター36´で2本の光線に分離し、一方のポンプ光線を光路admn上に通過させ、他方のポンプ光線を光路abcdh上に通過させる。これにより、同じタイミングでポンプ光線が試料2´上に照射されるため、ポンプ光線のスポット8a´、8b´が同時に形成されると共に、ポンプ光線のスポット8a´、8b´内で同時にスピン波が誘起される。その後、ポンプ光線のスポット8a´、8b´内で同時に誘起されたスピン波wa、wbがポンプ光線のスポット8a´、8b´外へ伝播して干渉させることにより合成スピン波wcを誘起させる。 The pump beam emitted from the light source 3 'is separated into two beams by the beam splitter 36', one pump beam is passed on the optical path admn, and the other pump beam is passed on the optical path abcdh. As a result, since the pump beam is irradiated onto the sample 2 ′ at the same timing, spots 8a ′ and 8b ′ of the pump beam are simultaneously formed, and spin waves are simultaneously generated in the spots 8a ′ and 8b ′ of the pump beam. Induced. Thereafter, the spin waves w a and w b simultaneously induced in the pump beam spots 8 a ′ and 8 b ′ are propagated outside the pump beam spots 8 a ′ and 8 b ′ to cause interference to induce a synthesized spin wave w c . Let

またプローブ光線は、試料2´に対して試料2´の法線の7°方向から入射され、偏光方位回転角の測定器6´でプローブ光線の偏光方位回転角を測定し、伝播する合成スピン波wcの関数の情報を分析する。ここで、偏光方位角回転装置4´で試料2´中に照射されるポンプ光線の偏光方位角を回転することにより、試料2´中のポンプ光線のスポット8a´、8b´それぞれに誘起されるスピン波wa、wbの初期位相を変化させる。ポンプ光線とプローブ光線とは、遅延ステージ24´による遅延時間をずらし、ポンプ光線に対するプローブ光線の相対的な2次元位置をずらしていくことで、合成スピン波wcの時間空間分解が可能となり、時間空間的な合成スピン波wcの関数の情報を得ることができる。 The probe beam is incident on the sample 2 ′ from the normal direction of the sample 2 ′, and the polarization direction rotation angle of the probe beam is measured by the measuring device 6 ′ of the polarization azimuth rotation angle. Analyze the function information of the wave w c . Here, by rotating the polarization azimuth angle of the pump beam irradiated into the sample 2 ′ by the polarization azimuth rotation device 4 ′, the pump beam spots 8 a ′ and 8 b ′ in the sample 2 ′ are induced. The initial phase of the spin waves w a and w b is changed. The pump beam and the probe beam are shifted in the delay time by the delay stage 24 ′, and the relative two-dimensional position of the probe beam with respect to the pump beam is shifted, so that the time-space decomposition of the synthesized spin wave w c becomes possible. Information on the function of the spatio-temporal synthesized spin wave w c can be obtained.

なお、スピン波の誘起・伝播制御装置1´及びスピン波の誘起・伝播制御システム10´で使用されるプローブ光線は、ポンプ光線により誘起され伝播されるスピン波の情報を検出するための一つの手段である。従って、スピン波の情報を検出できれば、プローブ光線に限定されることなく、いかなる手段であってもよい。   The probe beam used in the spin wave induction / propagation control device 1 ′ and the spin wave induction / propagation control system 10 ′ is one for detecting information on the spin wave induced and propagated by the pump beam. Means. Therefore, any means may be used without being limited to the probe beam as long as the information of the spin wave can be detected.

なお、図13、図14では、2個のポンプ光線のスポットに誘起される2個のスピン波wa、wbの干渉を示したが、同様に、ビームスプリッター14´とビームスプリッター36´の間に、更に別の複数のビームスプリッター36´と複数のミラー37´、38´を設けることで、3本以上のポンプ光線に分離することができる。更に、複数の光線に分離されたポンプ光路長を等しくすることで、試料2´に形成される複数のポンプ光線のスポット8´を同時に生成することができる。 13 and 14 show the interference of the two spin waves w a and w b induced by the spots of the two pump beams. Similarly, the beam splitter 14 ′ and the beam splitter 36 ′ By providing another plurality of beam splitters 36 ′ and a plurality of mirrors 37 ′ and 38 ′ therebetween, it is possible to separate the light into three or more pump beams. Furthermore, by making the pump optical path lengths separated into a plurality of light beams equal, a plurality of pump light spots 8 ′ formed on the sample 2 ′ can be generated simultaneously.

次に、本発明を適用した図14に示されたスピン波誘起・伝播制御システム10´における複数のポンプ光線のスポットの個数を9個にした場合の数値計算モデルについて説明する。ただし、個々のポンプ光線の強度は同一とする。   Next, a numerical calculation model when the number of spots of a plurality of pump beams is nine in the spin wave induction / propagation control system 10 ′ shown in FIG. 14 to which the present invention is applied will be described. However, the intensity of each pump beam is the same.

このhn(ベクトルk)をスピン波の波源として、下記に示す(2)式のモデルを立てた。 Using h n (vector k) as a spin wave source, a model of the following equation (2) was established.

ここで、tは時間を表している。  Here, t represents time.

ここで、ω(ベクトルk)は、スピン波の角周波数の分散関係を表す。但し、簡単のため面内の異方性を0とした。αは、ベクトルk=0の時のスピン波の緩和係数である。このαは、磁性共鳴の実験で求めることができる。またCnは、n番目のポンプ光線のスポット内のスピン歳差運動の初期位相を表している。合成スピン波の関数であるmN(ベクトルr,t)は、波数空間で積分を行うことで得ることができる。スピン波の初期位相Cnは、光と磁性体の相互作用の仕方に依存している。直線偏光であるポンプ光パルスがスピン歳差運動を誘起する場合、逆コットン・ムートン効果と磁気異方性変調によって、直線偏光のポンプ光線の偏光方位角に応じてCnは、図10(b)にも示すように連続的に変化する。 Here, ω (vector k) represents the dispersion relation of the angular frequency of the spin wave. However, the in-plane anisotropy was set to 0 for simplicity. α is a relaxation coefficient of the spin wave when the vector k = 0. This α can be obtained by an experiment of magnetic resonance. C n represents the initial phase of the spin precession within the spot of the nth pump beam. M N (vector r, t), which is a function of the synthesized spin wave, can be obtained by integrating in the wave number space. The initial phase C n of the spin wave depends on how the light and the magnetic material interact. When the pump light pulse that is linearly polarized induces spin precession, C n is shown in FIG. 10 (b) according to the polarization azimuth of the linearly polarized pump beam by the inverse Cotton Mouton effect and magnetic anisotropic modulation. ) Changes continuously as shown.

図13、14に示す、スピン波の誘起・伝播制御装置1´及びスピン波の誘起・伝播制御システム10´は、2個のポンプ光線のスポット8a´、8b´から誘起された2個のスピン波wa、wbが互いに干渉することにより合成された合成スピン波wcを誘起し、2個のスピン波の初期位相Cをそれぞれ変化させて、(2)式のモデルに基づいて当該合成スピン波wcの関数を制御する。これにより、2個のスピン波wa、wbのそれぞれの初期位相Cの制御により、所望の合成スピン波wcの関数を得ることができる。また(2)式により、試料2´の特性は、合成スピン波wcの角周波数の分散関係と合成スピン波wcの緩和係数に基づくため、事前に試料2´の特性を数値計算により予測し、所望の合成スピン波wcを誘起するための試料2´の選定又は所望の試料2´の合成が可能となる。これにより、所望の合成スピン波wcを作ることができる。なお、スピン波の誘起・伝播制御装置1´及びスピン波の誘起・伝播制御システム10´は、2個のポンプ光線のスポット8a´、8b´の場合を示しているが、これに限定されることなく、3本以上の複数のポンプ光線により形成された3個以上のポンプ光線のスポットに誘起される複数のスピン波wの干渉により誘起される合成スピン波wであってもよい。 The spin wave induction / propagation control device 1 ′ and the spin wave induction / propagation control system 10 ′ shown in FIGS. 13 and 14 include two spins induced from two pump beam spots 8 a ′ and 8 b ′. A synthesized spin wave w c synthesized by the waves w a and w b interfering with each other is induced, the initial phase C of each of the two spin waves is changed, and the synthesis is performed based on the model of equation (2). Controls the function of the spin wave w c . Thus, a desired function of the synthesized spin wave w c can be obtained by controlling the initial phase C of each of the two spin waves w a and w b . The addition (2), characteristics of the sample 2 'prediction, because it is based on relaxation coefficient dispersion relation and synthetic spin wave w c of the angular frequency of the synthetic spin waves w c, advance the characteristics of a sample 2'numerically Thus, it is possible to select the sample 2 ′ for inducing the desired synthesized spin wave w c or to synthesize the desired sample 2 ′. Thereby, a desired synthetic spin wave w c can be created. The spin wave induction / propagation control device 1 ′ and the spin wave induction / propagation control system 10 ′ show the case of two pump beam spots 8 a ′ and 8 b ′, but are not limited thereto. Instead, it may be a synthesized spin wave w induced by the interference of a plurality of spin waves w induced by three or more pump light spots formed by three or more pump light beams.

更に、ポンプ光偏光が直線偏光であるため、ポンプ光線の偏光方位角φを連続的に変化させることが可能となり、当該偏光方位角φの連続的な変化に応じて初期位相Cも連続的に変化させることが可能となる。   Further, since the pump light polarization is linearly polarized light, the polarization azimuth angle φ of the pump beam can be continuously changed, and the initial phase C is also continuously changed according to the continuous change of the polarization azimuth angle φ. It can be changed.

次に、スピン波の誘起・伝播制御装置1´及びスピン波の誘起・伝播制御システム10´の(2)式のモデルによる1個又は9個のポンプ光線のスポットの場合の数値シミュレーション結果について図16〜図20を参照しながら詳細に説明する。   Next, a numerical simulation result in the case of one or nine pump beam spots based on the model (2) of the spin wave induction / propagation control device 1 ′ and the spin wave induction / propagation control system 10 ′ is illustrated. This will be described in detail with reference to FIGS.

図15は、本発明を適用した第2実施形態のポンプ・プローブ法による試料2上にある9個のスピン波が干渉した状態を示した概念図である。図15は、9つのポンプ光線のスポットS1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9から発生したスピン波w1、w2、w3、w4、w5、w6、w7、w8、w9の干渉を示している。 FIG. 15 is a conceptual diagram showing a state in which nine spin waves on the sample 2 interfere with each other by the pump-probe method of the second embodiment to which the present invention is applied. FIG. 15 shows nine pump beam spots S 1 , S 2 , S 3 , S 4 , S 5 , S 6 , S 7 , S 8 , S 9 , spin waves w 1 , w 2 , w 3 , It shows the interference w 4, w 5, w 6 , w 7, w 8, w 9.

次に、スピン波の誘起・伝播制御装置1´及びスピン波の誘起・伝播制御システム10´の(2)式のモデルによる1個のポンプ光線のスポット8の場合の数値シミュレーション結果について図16を参照しながら詳細に説明する。   Next, FIG. 16 shows a numerical simulation result in the case of one spot 8 of the pump beam by the model (2) of the spin wave induction / propagation control device 1 ′ and the spin wave induction / propagation control system 10 ′. Details will be described with reference to FIG.

図16(a)は、偏光方位角回転装置4´が、1/2波長板であるときの1個のポンプ光線のスポットの場合における直線偏光ポンプ光照射から3ns後のスピン波の振幅マップを示した図である。図16(b)は、図16(a)の場合のスピン波の位相マップを示した図である。   FIG. 16A shows an amplitude map of a spin wave 3 ns after irradiation with linearly polarized pump light in the case of one pump beam spot when the polarization azimuth rotation device 4 ′ is a half-wave plate. FIG. FIG. 16B is a diagram showing a phase map of spin waves in the case of FIG.

図16(a)(b)により、ポンプ光線のスポットが1個の場合は、矢印方向などの全方位に等方的にスピン波が伝播していることがわかる。   16 (a) and 16 (b), it can be seen that the spin wave isotropically propagates in all directions such as the arrow direction when the number of the spot of the pump beam is one.

次に、スピン波の誘起・伝播制御装置1´及びスピン波の誘起・伝播制御システム10´の(2)式のモデルによる9個のポンプ光線のスポットの場合の数値シミュレーション結果について図17〜20を参照しながら詳細に説明する。ここでは、9個のポンプ光線のスポットの形状は、略円形であり、全て円形の2次元ガウス関数で、半値全幅も同一であるとする。   Next, numerical simulation results in the case of nine pump beam spots according to the model of the formula (2) of the spin wave induction / propagation control device 1 ′ and the spin wave induction / propagation control system 10 ′ are shown in FIGS. Will be described in detail with reference to FIG. Here, it is assumed that the spot shapes of the nine pump beams are substantially circular, are all circular two-dimensional Gaussian functions, and have the same full width at half maximum.

図17(a)は、偏光方位角回転装置4´が、1/2波長板であるときの9個のポンプ光線のスポットから誘起されたスピン波の初期位相Cnが全て同位相の場合における直線偏光ポンプ光照射から3ns後のスピン波の振幅マップを示した図である。図17(b)は、図17(a)の場合のスピン波の位相マップを示した図である。 FIG. 17A shows a case where the initial phases C n of the spin waves induced from the spots of nine pump beams when the polarization azimuth rotation device 4 ′ is a half-wave plate are all in phase. It is the figure which showed the amplitude map of the spin wave after 3 ns from linearly polarized light pump irradiation. FIG. 17B is a diagram showing a phase map of spin waves in the case of FIG.

図17(a)(b)により、ポンプ光線のスポットが9個で全てのスピン波の初期位相Cnに位相差がない。つまり、Cn=0°の場合は、9個のスピン波が合成された合成スピン波は、矢印方向に示す左右方向にスピン波が伝播していることがわかる。 17A and 17B, there are nine pump beam spots, and there is no phase difference in the initial phase C n of all spin waves. That is, in the case of C n = 0 °, it can be seen that the synthesized spin wave in which nine spin waves are synthesized propagates the spin wave in the left-right direction indicated by the arrow direction.

図18(a)は、偏光方位角回転装置4´が、1/2波長板であるときの9個のポンプ光線のスポットから誘起されたスピン波の初期位相Cnの位相差が60°の場合における直線偏光ポンプ光照射から3ns後のスピン波の振幅マップを示した図であり、図18(b)は(a)の場合のスピン波の位相マップを示した図である。ここで、スピン波の初期位相Cnの位相差が60°の場合とは、Cn=60°×(n−4)(但し、n=1〜9)の場合である。 FIG. 18A shows that the phase difference of the initial phase C n of the spin wave induced from the spots of nine pump beams when the polarization azimuth rotating device 4 ′ is a half-wave plate is 60 °. FIG. 18B is a diagram showing an amplitude map of a spin wave 3 ns after irradiation with the linearly polarized pump light, and FIG. 18B is a diagram showing a phase map of the spin wave in the case of FIG. Here, the case where the phase difference of the initial phase C n of the spin wave is 60 ° is a case where C n = 60 ° × (n−4) (where n = 1 to 9).

図18(a)(b)により、ポンプ光線のスポットが9個で全てのスピン波に位相差が60°の場合は、矢印方向に示す左右斜め上方向に9個のスピン波が合成された合成スピン波が伝播していることがわかる。   18A and 18B, when the number of pump light spots is nine and the phase difference of all the spin waves is 60 °, nine spin waves are synthesized in the diagonally upward and left directions indicated by the arrows. It can be seen that the synthetic spin wave propagates.

図19(a)は、偏光方位角回転装置4´が、1/2波長板であるときの9個のポンプ光線のスポットから誘起されたスピン波の初期位相Cnが、Cn=15°×(n−4)2(但し、n=1〜9)の場合における直線偏光ポンプ光照射から3ns後のスピン波の振幅マップを示した図である。図19(b)は、図19(a)の場合のスピン波の位相マップを示した図である。 FIG. 19A shows that when the polarization azimuth rotation device 4 ′ is a half-wave plate, the initial phase C n of spin waves induced from the spots of nine pump beams is C n = 15 °. It is the figure which showed the amplitude map of the spin wave 3ns after linearly polarized light pump light irradiation in the case of * (n-4) < 2 > (however, n = 1-9). FIG. 19B is a diagram showing a phase map of spin waves in the case of FIG.

図19(a)(b)により、ポンプ光線のスポットが9個のスピン波の初期位相Cnが、Cn=15°×(n−4)2の場合は、矢印方向に示す左右方向、左右斜め上方向及び左右斜め下方向に9つのスピン波が合成された合成スピン波が伝播して収束していることがわかる。 19 (a) and 19 (b), when the initial phase C n of the spin wave with nine pump light spots is C n = 15 ° × (n−4) 2 , the horizontal direction indicated by the arrow direction, It can be seen that the synthesized spin wave, in which nine spin waves are synthesized in the left and right diagonally upward direction and the left and right diagonally downward direction, propagates and converges.

図20(a)は、偏光方位角回転装置4´が、1/2波長板であるときの9個のポンプ光線のスポットから誘起されたスピン波の初期位相Cnが、Cn=60°×(n−4)+15°×(n−4)2(但し、n=1〜9)の場合における直線偏光ポンプ光照射から3ns後のスピン波の振幅マップを示した図である。図20(b)は、図20(a)の場合のスピン波の位相マップを示した図である。 FIG. 20A shows that the initial phase C n of the spin wave induced from the spots of the nine pump beams when the polarization azimuth rotation device 4 ′ is a half-wave plate is C n = 60 °. It is the figure which showed the amplitude map of the spin wave 3ns after linearly polarized light pump light irradiation in the case of * (n-4) +15 degrees * (n-4) < 2 > (however, n = 1-9). FIG. 20B is a diagram showing a phase map of spin waves in the case of FIG.

図20(a)(b)により、ポンプ光線のスポットが9個のスピン波の初期位相Cnが、Cn=60°×(n−4)+15°×(n−4)2の場合は、矢印方向に示す左右方向、左右斜め上方向及び左右斜め下方向に9つのスピン波が合成された合成スピン波が伝播して収束していることがわかる。 20A and 20B, when the initial phase C n of the spin wave with nine spots of the pump beam is C n = 60 ° × (n−4) + 15 ° × (n−4) 2 It can be seen that a synthesized spin wave in which nine spin waves are synthesized propagates and converges in the left-right direction indicated by the arrow direction, the left-right diagonally upward direction, and the left-right diagonally downward direction.

以上、本発明の実施例及び応用例について詳細に説明したが、前述した実施例及び応用例は、何れも本発明を実施するにあたって具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。   Although the embodiments and application examples of the present invention have been described in detail above, the above-described embodiments and application examples are merely examples of implementation in carrying out the present invention, and the present invention is thereby limited. This technical scope should not be interpreted in a limited way.

1 スピン波の誘起・初期位相制御装置
1´ スピン波の誘起・伝播制御装置
2、2´ 試料
3、3´ 光源
4、4a´、4b´ 偏光方位角回転装置
5、5a´、5b´ レンズ
6、6´ 偏光方位回転角の測定器
8、8´、8a´、8b´ ポンプ光線のスポット
10 スピン波の誘起・初期位相制御システム
10´ スピン波の誘起・伝播制御システム
11、11´、14、14´ ビームスプリッター
12、12´ 光パラメトリック増幅器
13、13´ チョッパー
15、15´、34、34´、35、35´ 光検出器
16、16´、21、21´、28、28´、37´、38´ ミラー
18、18a´、18b´ 偏光子
23、23´ 1/4波長板
22、22´ 偏光ビームスプリッター
24、24´ 遅延ステージ
25、25´ 可動ミラー
26、26´ NDフィルタ
27、27´ 固定ミラー
33、33´ ウォラストンプリズム
36´ ビームスプリッター
41、41´ 電磁石
S1 ポンプ光線のスポット
a、wb スピン波
c 合成スピン波
1 Spin Wave Induction / Initial Phase Control Device 1 ′ Spin Wave Induction / Propagation Control Device 2, 2 ′ Sample 3, 3 ′ Light Source 4, 4a ′, 4b ′ Polarization Azimuth Rotation Device 5, 5a ′, 5b ′ Lens 6, 6 ′ Polarization azimuth angle measuring device 8, 8 ′, 8a ′, 8b ′ Pump beam spot 10 Spin wave induction / initial phase control system 10 ′ Spin wave induction / propagation control system 11, 11 ′, 14, 14 'beam splitter 12, 12' optical parametric amplifier 13, 13 'chopper 15, 15', 34, 34 ', 35, 35' photodetector 16, 16 ', 21, 21', 28, 28 ', 37 ', 38' Mirror 18, 18a ', 18b' Polarizer 23, 23 '1/4 wavelength plate 22, 22' Polarizing beam splitter 24, 24 'Delay stage 25, 25' Movable mirror 26, 26 'ND filter 2 , 27 'fixed mirror 33,33' Wollaston prism 36' beam splitter 41,41' electromagnet S1 of the pump light spot w a, w b spin wave w c synthetic spin wave

Claims (8)

光源と、
前記光源から出射されたポンプ光線の偏光方位角を回転可能な偏光方位角回転手段と、
前記ポンプ光線が前記偏光方位角回転手段を通過していく光路上に配置されると共にスピン波を誘起可能な媒体とを備え、
前記ポンプ光線が前記媒体に向けて照射されることにより当該媒体中に前記スピン波が誘起され、下記(1)式に基づいて、前記偏光方位角回転手段で前記ポンプ光線の偏光方位角を変化させることにより、誘起された前記スピン波の初期位相を制御すること
を特徴とするスピン波誘起・初期位相制御システム。
A light source;
A polarization azimuth rotation means capable of rotating the polarization azimuth angle of the pump beam emitted from the light source;
A medium disposed on an optical path through which the pump beam passes through the polarization azimuth rotating means and capable of inducing a spin wave;
When the pump beam is irradiated toward the medium, the spin wave is induced in the medium, and the polarization azimuth angle of the pump beam is changed by the polarization azimuth rotation unit based on the following equation (1). A spin wave induction / initial phase control system characterized by controlling the initial phase of the induced spin wave.
前記光源が出射する前記ポンプ光線は、直線偏光であること
を特徴とする請求項1記載のスピン波誘起・初期位相制御システム。
The spin wave induction / initial phase control system according to claim 1, wherein the pump beam emitted from the light source is linearly polarized light.
N本のポンプ光線が前記媒体に向けて照射されて、当該媒体中に誘起されたN個のスピン波が伝播して互いに干渉することにより合成スピン波が誘起され、
請求項1記載のスピン波誘起・初期位相制御システムにおける前記偏光方位角回転手段で当該N本のポンプ光線の前記偏光方位角を変化させ、当該N個のスピン波のそれぞれの前記初期位相を変化させることにより、下記(2)式に基づいて、前記合成スピン波の関数を制御すること
を特徴とするスピン波誘起・伝播制御システム。
N pump beams are irradiated toward the medium, and N spin waves induced in the medium propagate and interfere with each other to induce a synthetic spin wave,
2. The polarization azimuth rotation means in the spin wave induction / initial phase control system according to claim 1 changes the polarization azimuth of the N pump beams to change the initial phase of each of the N spin waves. By controlling the function of the synthetic spin wave, the spin wave induction / propagation control system is controlled based on the following equation (2).
前記光源が出射する前記ポンプ光線は、直線偏光であること
を特徴とする請求項3記載のスピン波誘起・伝播制御システム。
The spin wave induction / propagation control system according to claim 3, wherein the pump beam emitted from the light source is linearly polarized light.
光源から出射されたポンプ光線を、前記ポンプ光線の偏光方位角を回転する偏光方位角回転手段を介して媒体に照射して、当該媒体中にスピン波を誘起する第1工程と、
下記(1)に基づいて、前記偏光方位角回転手段で前記ポンプ光線の偏光方位角を変化させることにより、前記スピン波の初期位相を制御する第2工程とを有する
ことを特徴とするスピン波誘起・初期位相制御方法。
A first step of irradiating the medium with a pump beam emitted from a light source via a polarization azimuth rotating unit that rotates a polarization azimuth of the pump beam to induce a spin wave in the medium;
A spin wave comprising: a second step of controlling an initial phase of the spin wave by changing a polarization azimuth angle of the pump beam by the polarization azimuth rotation means based on (1) below. Induction / initial phase control method.
前記光源が出射する前記ポンプ光線は、直線偏光であること
を特徴とする請求項5記載のスピン波誘起・初期位相制御方法。
The spin wave induction / initial phase control method according to claim 5, wherein the pump beam emitted from the light source is linearly polarized light.
光源から出射されたN本のポンプ光線を、ポンプ光線の偏光方位角を回転する偏光方位角回転手段を介して媒体に照射して、当該媒体中にN個のスピン波を誘起し干渉させて合成スピン波を誘起する第1工程と、
請求項5記載のスピン波誘起・初期位相制御方法における前記偏光方位角回転手段で当該N本のポンプ光線の前記偏光方位角を変化させ、当該N個のスピン波のそれぞれの前記初期位相を変化させることにより、下記(2)式に基づいて、前記合成スピン波の関数を制御する第2工程とを有すること
を特徴とするスピン波の誘起・伝播制御方法。
The pump light emitted from the light source is irradiated onto the medium via the polarization azimuth rotating means for rotating the polarization azimuth angle of the pump light, and N spin waves are induced and interfered in the medium. A first step of inducing a synthetic spin wave;
6. The spin wave induction / initial phase control method according to claim 5, wherein the polarization azimuth rotation means changes the polarization azimuth angle of the N pump beams to change the initial phase of each of the N spin waves. And a second step of controlling the function of the synthetic spin wave based on the following formula (2): a spin wave induction / propagation control method.
前記光源が出射する前記ポンプ光線は、直線偏光であること
を特徴とする請求項7記載のスピン波誘起・伝播制御方法。
The spin wave induction / propagation control method according to claim 7, wherein the pump beam emitted from the light source is linearly polarized light.
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