WO2017119237A1 - 磁気光学測定方法および磁気光学測定装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a magneto-optical measurement method and a magneto-optical measurement apparatus.
- Spintronics is an information processing technology that replaces conventional electronics. In electronics, bits are represented by the charge of electrons and information is transmitted by current. In contrast, in spintronics, bits are represented by the spin of electrons and information is transmitted by spin current. Spintronics is expected to realize information processing with less loss of Joule heat and the like and less power consumption than electronics, and has already been put to practical use in memory elements.
- the material used for spintronics is a magnetic material.
- the magnetic material has its internal electron spin fixed in a certain direction and exhibits spontaneous magnetization. This spontaneous magnetization motion is known to propagate as a wave in a magnetic material, and is generally called a spin wave or magnon.
- This spin wave is a kind of the above-described spin current, and can transmit information in spintronics.
- a technology that realizes information processing and transmission using only this spin wave without using any charge is called magnics, and a device using this magnics is expected to be a device with lower power consumption. Therefore, identifying the nature of spin waves is important in material development in spintronics.
- the nature of waves in matter is characterized by dispersion relations.
- the dispersion relationship is a relationship between the wave frequency and the wave number in a substance. Determining the dispersion relationship by measurement is none other than identifying the nature of the wave.
- Neutron scattering is known as a method for measuring the dispersion relation of spin waves.
- a method for directly observing a spin wave by a pump-and-probe method has been developed (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
- the pump-and-probe method it is possible to capture spin waves in real space.
- a method for measuring a time change of a spin wave in a real space has been developed (for example, see Non-Patent Documents 1 to 3).
- Non-Patent Document 1 In the method for measuring the time change in the real space described in Non-Patent Document 1, it is necessary to perform imaging not only for a wide range but also for a long time when attempting to measure with high resolution. Therefore, there is a problem that it is difficult to obtain the spatial information and the time information of the spin wave. Therefore, there is a problem that it is difficult to obtain the dispersion relationship of the spin wave.
- the method described in Non-Patent Document 2 captures minute magnetization dynamics, but has not yet acquired spatial information and time information of spin waves. Further, in the real space imaging described in Non-Patent Document 3, the measured light intensity signal cannot extract only the component derived from the magnetization, and the propagation of the spin wave cannot be observed. was there.
- the present invention has been made paying attention to such a problem, and an object thereof is to provide a magneto-optical measurement method and a magneto-optical measurement apparatus capable of acquiring spatial information of spin waves. It is another object of the present invention to provide a magneto-optical measurement method and a magneto-optical measurement apparatus that can acquire spatial information and time information of a spin wave over a wide range and for a long time within a realistic measurement time. It is another object of the present invention to provide a magneto-optical measurement method and a magneto-optical measurement apparatus that can directly determine the dispersion relationship of spin waves.
- a magneto-optical measurement method includes a pump light irradiation step of irradiating a measurement object having magnetism with pump light composed of pulsed light, and the measurement object.
- a response information acquisition step of obtaining response information of the object to be measured by the pump light based on the intensity distribution of the passing light for each angle.
- the magneto-optical measurement apparatus includes a pump light irradiating means provided so as to be able to irradiate a measurement object having magnetism with pump light composed of pulsed light, and the pump light with respect to the measurement object.
- Probe light irradiation means provided so as to be able to irradiate probe light with a delay of a predetermined delay time, and first polarization provided so that the probe light can be linearly polarized at a predetermined angle before irradiating the object to be measured.
- Second polarization means provided so that the light passing after the probe light passes through the object to be measured can be linearly polarized while changing the angle within a range including the predetermined angle, and the second polarization
- the intensity acquisition means provided so as to acquire the intensity distribution of the passing light, the angle of the linearly polarized light by the second polarization means, and the intensity acquisition means for each angle.
- the analysis means provided to be get a response information of the object to be measured by the pump light, characterized in that it has.
- the magneto-optical measurement method according to the present invention can be preferably implemented by the magneto-optical measurement apparatus according to the present invention.
- the magneto-optical measurement method and the magneto-optical measurement apparatus according to the present invention can obtain response information of an object to be measured using a pump-and-probe method. That is, by irradiating an object to be measured having magnetism with pump light, the magnetization inside the object to be measured starts precession, and this precession propagates to become a spin wave.
- the probe light acquires information of magnetization precession through the magneto-optic effect.
- the movement of magnetization parallel to the traveling direction of light rotates the polarization angle of linearly polarized light by ⁇ F through the Faraday effect.
- the Faraday effect is one of the magneto-optical effects, and is a universal phenomenon caused by the occurrence of off-diagonal components in the dielectric constant tensor of a substance due to the presence of magnetization.
- the magneto-optical measurement method and the magneto-optical measurement apparatus according to the present invention acquire the spatial distribution of the rotation angle (Faraday rotation angle) ⁇ F of linearly polarized light due to the Faraday effect as probe response information through the probe light. Can do. Further, since the spatial distribution of ⁇ F is due to the precession of magnetization that generates spin waves, it is possible to obtain spatial information of the spin waves of the object to be measured excited by the pump light.
- the magneto-optical measurement method and the magneto-optical measurement apparatus can obtain spin wave spatial information as response information of the object to be measured according to the following principle. That is, the intensity distribution I (x, y, ⁇ , ⁇ ) of the passing light at a position (x, y) on the plane perpendicular to the optical axis of the passing light is expressed by the equation (1).
- the intensity distribution I can be measured as an intensity distribution image of the passing light by receiving the passing light with a CCD camera, for example.
- ⁇ is a predetermined delay time
- ⁇ ⁇ is a linear polarization rotation angle that is a measurement parameter added by a polarizer or the like
- ⁇ b is a linear polarization rotation angle caused by background noise derived from the measurement system
- ⁇ F is a linearly polarized light rotation angle (Faraday rotation angle) derived from the Faraday effect
- ⁇ is ⁇ b + ⁇ F.
- the intensity acquisition step acquires the intensity distribution of the passing light in a plane perpendicular to the optical axis of the passing light
- the response information acquisition step I is the relationship between each angle ⁇ at which the passing light is polarized and the intensity I of the passing light corresponding to each angle ⁇ , for each predetermined position (x, y) on the plane, by equation (3):
- the intensity acquisition means is provided so as to be able to acquire the intensity distribution of the passing light on a plane perpendicular to the optical axis of the passing light
- the analyzing means includes For each predetermined position (x, y) on the plane, the relationship between each angle ⁇ at which the passing light is polarized and the intensity I of the passing light corresponding to each angle ⁇ is fitted using equation (3).
- the intensity I 0 of the passing light and the rotation angle ⁇ of the linearly polarized light of the probe light due to the Faraday effect generated in the object to be measured by the pump light are obtained, and the distribution of the rotation angle ⁇ on the plane is obtained. Therefore, it is preferable that the spatial information of the spin wave of the object to be measured excited by the pump light can be acquired.
- the transposition matrix of the 3 ⁇ N matrix on the right side is multiplied from the left of both sides of the equation (4) to obtain the equation (5).
- ⁇ can be obtained using a least square method.
- the spatial information of the spin wave can be obtained by obtaining ⁇ at all positions using the equation (5).
- the magneto-optical measurement method and the magneto-optical measurement apparatus can acquire the spatial information of the spin wave at each time by changing the delay time ⁇ of the probe light with respect to the pump light. That is, the magneto-optical measurement method according to the present invention includes a repetition step of repeating each step while changing the delay time, and the response information of the object to be measured obtained in the response information acquisition step for each delay time. And a spatiotemporal information acquisition step for obtaining spatiotemporal information of the response of the device under test.
- the magneto-optical measurement apparatus includes delay time changing means provided so that the delay time can be changed, and the intensity acquisition means is linearly polarized by each delay time and by the second polarization means. The intensity distribution of the passing light can be obtained for each angle, and the analysis means obtains response information of the device under test for each delay time, and spatiotemporal information of the response of the device under test Is preferably obtainable.
- the spatio-temporal information of the response of the object to be measured that is, the spin wave space Information and time information can be obtained.
- the calculation amount of the 3 ⁇ 3 matrix on the right side is large in the calculation of the equation (5), if the 3 ⁇ 3 matrix of the equation (5) is calculated for each pixel, the calculation amount becomes enormous. Therefore, the spatio-temporal information of the spin wave cannot be obtained within a realistic measurement time.
- the 3 ⁇ 3 matrix of the equation (5) is not calculated for each pixel, but the 3 ⁇ 3 matrix of the equation (5) is calculated for the polarization angle ⁇ i corresponding to the delay time. Is performed once, and the 3 ⁇ 3 matrix obtained here is used in common for all pixels, so that the matrix calculation can be performed only once for each delay time. As a result, the amount of calculation can be greatly reduced, and the Faraday rotation angle ⁇ is calculated at each position (pixel) and each delay time within a realistic time to obtain the spatio-temporal information of the response of the object to be measured. Can do. Further, from the spatio-temporal information of ⁇ , it is possible to obtain spin wave spatial information and temporal information.
- the calculation time can be greatly shortened, the response information of the object to be measured can be measured over a wide range and for a long time, and the spatio-temporal information of the spin wave can be obtained over a wide range and for a long time .
- the 3 ⁇ 3 matrix on the right side of equation (5) does not change even if the delay time changes.
- the calculation can be completed only once, and the amount of calculation can be further reduced.
- GPU graphic processor
- the magneto-optical measurement method and the magneto-optical measurement device can obtain inverse space information of the object to be measured by Fourier transforming the spatio-temporal information of the response of the object to be measured.
- the physical quantity obtained using equation (5) is the Faraday rotation angle ⁇ , which corresponds to the non-diagonal component of the dielectric constant of the object to be measured.
- This off-diagonal component has a component proportional to the perpendicular component of the magnetization of the object to be measured, and this perpendicular component of the magnetization can be evaluated as a linear response of the object to be measured to the pump light that is an external field. This can be written as in equation (6) according to the general linear response theory.
- ⁇ M Z (r; t)> is the position r, the expected value of the perpendicular component of magnetization at time t, ⁇ (r; t) is the response function of the sample, and H (r ′; t ′) is the outside It is a pump light that is a field. Since the pump light as an external field is composed of pulsed light, if this is regarded as a ⁇ function in time and space, the irradiation position and time of the pump light are set as the origin of space and time, and the expression (6) is expressed as (7 )
- measuring the Faraday rotation angle ⁇ is equivalent to directly measuring the response function of the device under test. Therefore, as shown in the equation (8), the Fourier transform of the response function, that is, the dispersion relation can be directly obtained by subjecting the obtained Faraday rotation angle ⁇ to Fourier transform.
- the Fourier transform of the spatiotemporal information of the Faraday rotation angle ⁇ is related to the dispersion relation of the spin wave.
- the magneto-optical measurement method and the magneto-optical measurement device according to the present invention are excited by the pump light as the inverse space information of the object to be measured by Fourier transforming the spatio-temporal information of the response of the object to be measured. The dispersion relation of the spin wave of the measured object can be obtained.
- the pump light and the probe light are preferably composed of a picosecond or femtosecond laser.
- the pump light irradiation means can irradiate a femtosecond laser as the pump light
- the probe light irradiation means can irradiate a femtosecond laser as the probe light. Is preferred. In this case, it is possible to obtain the response information of the measurement object having excellent frequency resolution of gigahertz or higher.
- the pump light preferably has a spot diameter of 10 ⁇ m or less in a cross section perpendicular to the traveling direction.
- the pump light irradiation means can irradiate the pump light with a spot diameter of 10 ⁇ m or less in a cross section perpendicular to the traveling direction.
- the pump light since the pump light includes various short and long wave number components, spin waves having various long and short wave numbers can be simultaneously excited in the object to be measured.
- the pump light can be brought closer to the ⁇ function in time and space, and the response function of the object to be measured can be obtained with high accuracy. Further, by performing Fourier transform on the response information, it is possible to obtain the dispersion relation of the measurement object with high accuracy.
- the probe light preferably has a spot diameter of 100 ⁇ m or more in a cross section perpendicular to the traveling direction.
- the probe light irradiation means can irradiate the probe light with a spot diameter of 100 ⁇ m or more in a cross section perpendicular to the traveling direction.
- the spot diameter of the probe light may be 100 ⁇ m to 2 mm. In this case, response information of the object to be measured can be measured over a wide range.
- the spot diameter of the probe light is preferably larger than the attenuation length of the spin wave. In this case, since the state of the time change of the spin wave is all included in the image, the dispersion relation of the object to be measured can be obtained with high accuracy.
- the object to be measured may be anything as long as it has magnetism.
- the object to be measured may be, for example, a magnetic body or a substance containing a magnetic body. Further, it is desirable that the object to be measured is larger than the attenuation length of the spin wave. In this case, free propagation of the spin wave is not affected by the interference with the reflected wave at the end of the object to be measured. Therefore, the dispersion relation of the object to be measured can be obtained with high accuracy.
- the magneto-optical measurement method irradiates a measurement object having magnetism with pump light composed of pulsed light, irradiates the measurement object with probe light, and the probe light is applied to the measurement object.
- the real space information of the response of the object to be measured by the pump light is obtained, and the real space information is Fourier transformed to the inverse space information, thereby the object to be measured It is also possible to obtain a dispersion relation of the responses.
- the probe light is linearly polarized at a predetermined angle, and the object to be measured is irradiated with a predetermined delay time from the pump light, and the passing light is irradiated with the predetermined light.
- the light is linearly polarized while changing the angle within a range including the angle, the intensity distribution of the passing light is obtained for each angle of the linearly polarized light, the angle of linearly polarizing the passing light, and the passing light of each angle
- the real space information is acquired, the probe light is irradiated while changing the delay time, and the intensity of the passing light for each angle of the linearly polarized light of the passing light for each delay time
- the distribution relationship may be obtained by acquiring the distribution, acquiring the real space information, and subjecting the real space information obtained for each delay time to Fourier transform.
- real space information of the spin wave can be acquired, and further, the dispersion relation of the spin wave can be directly determined.
- a magneto-optical measurement method and a magneto-optical measurement apparatus that can acquire spin wave spatial information. It is also possible to provide a magneto-optical measurement method and a magneto-optical measurement apparatus that can acquire spatial information and time information of a spin wave over a wide range and for a long time within a realistic measurement time. Furthermore, it is possible to provide a magneto-optical measurement method and a magneto-optical measurement apparatus that can directly determine the dispersion relationship of spin waves.
- Propagation directions obtained by the magneto-optical measurement method and magneto-optical measurement apparatus according to the embodiment of the present invention are (a) 0 degrees, (b) 15 degrees, (c) 30 degrees, (d) 45 degrees, (e ) It is an explanatory diagram showing the dispersion relationship of spin waves at 60 degrees, (f) 75 degrees, and (g) 90 degrees.
- Propagation direction and external magnetic field obtained by the magneto-optical measurement method and magneto-optical measurement apparatus of the embodiment of the present invention are (a) 0 degree, 25 Oe, (b) 0 degree, 75 Oe, (c) 0 degree, respectively.
- the magneto-optical measurement apparatus 10 includes a light source (not shown), pump light irradiation means 11, probe light irradiation means 12, delay time changing means 13, first polarization means 14, and second polarization means 15. And an intensity acquisition means 16 and an analysis means 17.
- the light source can emit a femtosecond laser with a wavelength of 800 nm and a pulse width of 80 fs. Further, the light source demultiplexes the emitted laser light into two, one is directly propagated to the pump light irradiation means 11 as pump light, the other is input to the parametric amplifier and modulated to a wavelength of 630 nm, and then the probe It is configured to propagate to the probe light irradiation means 12 as light.
- the pump light irradiation means 11 has a polarizer 11a, a half mirror 11b, and an objective lens 11c.
- the polarizer 11a is composed of a polarizer for making the pump light linearly polarized light.
- the pump light may be circularly polarized light using a ⁇ / 4 wavelength plate.
- the pump light irradiating means 11 adjusts the polarization of the pump light from the light source by the polarizer 11a, and then introduces the pump light to the optical axis of the objective lens 11c by the half mirror 11b to pump the measured object 1 having magnetism. It is configured to emit light.
- the pump light irradiation means 11 condenses and irradiates the pump light to one point of the object 1 to be measured by the objective lens 11c.
- the DUT 1 is yttrium iron garnet (Bi: YIG) doped with bismuth, and is made of a magnetic thin film having a thickness of 4 ⁇ m and an area of 1 cm ⁇ 1 cm. .
- the pump light irradiation means 11 can irradiate the device under test 1 with pump light composed of femtosecond laser pulse light.
- the pump light irradiation means 11 can irradiate the pump light with a spot diameter in a cross section perpendicular to the traveling direction of 10 ⁇ m or less.
- the spot diameter of the pump light collected at one point of the DUT 1 is about 4 ⁇ m.
- the pump light can be regarded as a pulse input that is substantially ⁇ function both spatially and temporally.
- the probe light irradiating means 12 can irradiate the object to be measured 1 with probe light from a light source composed of a femtosecond laser.
- the probe light irradiation means 12 can irradiate the probe light with a spot diameter of 100 ⁇ m to 2 mm in a cross section perpendicular to the traveling direction. In the specific example shown in FIG. 1, the beam diameter of the probe light is adjusted to about 1 mm in order to acquire a wide range of information in space.
- the delay time changing means 13 is composed of a delay optical path provided in the probe light optical path of the probe light irradiating means 12.
- the delay time changing means 13 can irradiate the object to be measured 1 with the probe light delayed by a predetermined delay time from the pump light.
- the delay time changing means 13 can change the delay time by extending or shortening the optical path of the probe light.
- the first polarizing means 14 is composed of a Grand Taylor prism, and is arranged so that the probe light can be linearly polarized at a predetermined angle before irradiating the DUT 1 from the probe light.
- the second polarizing means 15 includes a half-wave plate 15a and a polarizer 15b made of a Grand Taylor prism.
- the half-wave plate 15a is attached to a rotary stage and is configured to be set at an arbitrary angle around the optical axis of the passing light.
- the polarizer 15 b is provided in an orthogonal crossed Nicol arrangement in which the linear polarization plane is orthogonal to the linear polarization plane of the first polarizing means 14. In the specific example shown in FIG.
- the passing light that has passed through the DUT 1 travels in the opposite direction to the pump light, is adjusted to a parallel light beam by the objective lens 11c, passes through the half mirror 11b, and then passes through the second mirror.
- the light is incident on the polarizing means 15 and linearly polarized by the half-wave plate 15a and the polarizer 15b.
- the magneto-optical measurement apparatus 10 sets the linear polarization angle of the probe light by the first polarizing means 14 to 0 °.
- the passing light having this polarization angle passes through the polarizer 15b placed in the orthogonal crossed Nicols arrangement, and the component orthogonal to the linear polarization plane of the initial probe light is extracted.
- the intensity acquisition means 16 has a CCD camera and is provided so that the intensity distribution of the passing light linearly polarized by the second polarizing means 15 can be acquired on a plane perpendicular to the optical axis of the passing light.
- the intensity acquiring unit 16 can acquire the intensity distribution of the passing light for each delay time by the delay time changing unit 13 and for each angle linearly polarized by the second polarizing unit 15.
- the intensity acquisition means 16 has a color filter 16a in front of the CCD camera so as to prevent the reflected light of the pump light from entering the CCD camera.
- the intensity acquisition means 16 is composed of one having millions of pixels in a range of 16 ⁇ m ⁇ 16 ⁇ m.
- the intensity acquisition means 16 can image a region of 100 ⁇ m ⁇ 100 ⁇ m.
- the analyzing means 17 is composed of a computer, and for each delay time by the delay time changing means 13, the angle of linearly polarized light by the second polarizing means 15 and the intensity distribution of the passing light acquired by the intensity acquiring means 16 for each angle. Based on the above, it is possible to acquire response information of the DUT 1 by pump light. Thereby, the analysis means 17 can acquire the spatiotemporal information of the response of the DUT 1. Further, the analyzing means 17 performs a Fourier transform on the spatio-temporal information of the response of the device under test 1 so that the spin wave dispersion of the device under test 1 excited by pump light is obtained as the inverse space information of the device under test 1. Can be obtained.
- the magneto-optical measurement method according to the embodiment of the present invention can be preferably implemented by the magneto-optical measurement apparatus 10.
- the straight component of the precession of the in-plane magnetization of the DUT 1 is captured by the probe light as the rotation angle ⁇ of linearly polarized light by the Faraday effect.
- the information on the rotation angle ⁇ is calculated from the probe light intensity detected by the CCD camera, and high-resolution spatial information corresponding to the spatial resolution of the CCD camera can be acquired. Further, the spatial information at each time can be acquired by changing the delay time of the probe light. Since the pump light and the probe light are composed of femtosecond lasers, a high resolution can be realized in terms of time.
- the delay time changing means 13 determines the delay time between the pump light and the probe light (step 21).
- the rotational angle alpha of the half-wave plate 15a of the second polarizing means 15, is set at an angle alpha 1 (step 22).
- the pump light and the probe light are irradiated, and the intensity distribution of the passing light of the probe light is acquired by the CCD camera of the intensity acquisition means 16 (step 23). Thereby, an intensity I (1) is obtained for each pixel of the CCD camera (step 24).
- the intensity distribution of the passing light is repeatedly acquired while changing the rotation angle ⁇ i of the half-wave plate 15a within a predetermined range (eg, ⁇ 10 ° to + 10 °).
- a predetermined range eg, ⁇ 10 ° to + 10 °.
- the intensity I (i) is obtained for each pixel of the CCD camera (step 29).
- the intensity I is fitted by a formula (3) as a function of ⁇ .
- fitting is performed using the least square method, and the Faraday rotation angle ⁇ which is the precession information of the magnetization is obtained (step 30).
- the Faraday rotation angle ⁇ is obtained for each pixel, and the spatial information of the spin wave of the DUT 1 excited by the pump light can be acquired.
- the delay time is changed and the above steps 22 to 30 are repeated (step 31).
- the spatial information of the spin wave at each time that is, the spatio-temporal information of the spin wave can be acquired.
- step 30 fitting is performed using equation (5) for each delay time to obtain ⁇ .
- the one with the largest calculation amount is in the step of obtaining the 3 ⁇ 3 matrix on the right side of the equation (5). Making this process as small as possible is essential for practical measurements.
- the formula (5) is used for the rotation angle ⁇ i of the corresponding half-wave plate 15a at each delay time.
- the calculation time can be shortened by performing the calculation of the 3 ⁇ 3 matrix once and sharing the 3 ⁇ 3 matrix obtained here for all the pixels.
- the calculation time can be significantly reduced, and the Faraday rotation angle ⁇ for each pixel can be measured at each delay time within a realistic time. Further, since the calculation time can be greatly shortened, the response information of the DUT 1 can be measured over a wide range and for a long time, and the spatio-temporal information of the spin wave can be obtained over a wide range and for a long time. be able to.
- FIG. 3 shows the spatio-temporal information of the spin wave of the DUT 1 obtained by the magneto-optical measurement method and the magneto-optical measurement apparatus 10 according to the embodiment of the present invention.
- the DUT 1 is an yttrium iron garnet (Bi: YIG) thin film doped with bismuth.
- 3A to 3F show the measurement results at delay times -0.4 ns, 0.1 ns, 0.5 ns, 1.0 ns, 5.0 ns, and 10.0 ns, respectively.
- FIG. 3B it can be seen that immediately after the pump light irradiation, the precession of magnetization of the DUT 1 is excited at the position of the origin where the pump light is irradiated.
- the size of the device under test 1 is 1 cm ⁇ 1 cm and is sufficiently larger than the spot diameter of 1 mm of the probe light, so there is no influence of reflection or scattering by the end of the device under test 1 and the propagation of the spin wave can be directly observed. It is thought that.
- FIG. 4 shows the dispersion relation of the obtained spin waves.
- the spot diameter of the pump light irradiated by the pump light irradiation means 11 is 4 ⁇ m
- the spot diameter of the probe light irradiated by the probe light irradiation means 12 Is 1 mm, and the area actually imaged can be widened to approximately 100 ⁇ m ⁇ 100 ⁇ m, so that the pump light can be regarded as a ⁇ function in time and space.
- the spin wave dispersion relation of the DUT 1 can be directly obtained as the inverse space information of the DUT 1. As shown in FIGS.
- the dispersion relationship (for example, A to D in FIG. 4D) changes depending on the propagation direction (value of ⁇ ) of the spin wave.
- ⁇ is an angle formed between the magnetic field applied from the outside and the propagation direction of the spin wave.
- the magneto-optical measurement method and magneto-optical measurement apparatus 10 of the embodiment of the present invention it is possible to obtain spatio-temporal information of spin waves over a wide range and for a long time with high temporal resolution and spatial resolution. That is, the time resolution is determined by the pulse width of the pump light and the pulse width of the probe light, and has a sub-picosecond resolution. The spatial resolution is determined by the diffraction limit depending on the wavelength of the probe light, and is about 1 ⁇ m.
- FIG. 5 shows the dispersion relation of the spin wave when the external magnetic field is changed.
- the one passing through the origin (0 GHz, 0 cm ⁇ 1 ) (the broken line in the figure) is the external applied to the DUT 1. It was confirmed that even if the magnetic field was changed, it did not change. This dispersion that does not depend on the external magnetic field is considered to show the propagation of phonons.
- the dispersion appearing around 1 GHz to 1.5 GHz was confirmed to move upward as the magnetic field increased.
- This behavior is considered to be a dispersion shift of the spin wave due to an increase in the ferromagnetic resonance frequency due to an increase in the magnetic field. Therefore, these dispersions correspond to spin waves.
- FIG. 6 This temporal change in the intensity of the dispersion relationship can be obtained by extracting an image having a time width of about 2 ns from the real-time space image obtained in FIG. Specifically, it can be obtained by applying a Gaussian function filter with a half-value width of 2 ns to the time axis data and then performing a Fourier transform on the real-time image. As shown in FIGS. 6 (a) to 6 (d), it was confirmed that the strength of the dispersion relationship increased as the time increased from 2 ns to 8 ns, and the strength of the dispersion relationship changed with time.
- the spin wave dispersion relationship can be easily determined for various magnetic materials represented by YIG. It can be used for evaluation and testing of spintronic devices.
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Abstract
【課題】スピン波の空間情報を取得することができる磁気光学測定方法および磁気光学測定装置を提供する。 【解決手段】磁性を有する被測定物１に対し、ポンプ光照射手段１１により、パルス光から成るポンプ光を照射する。被測定物１に対して、プローブ光照射手段１２により、ポンプ光から所定の遅延時間だけ遅らせてプローブ光を照射する。第１偏光手段１４により、被測定物１への照射前に、プローブ光を所定の角度で直線偏光する。第２偏光手段１５により、プローブ光が被測定物１を通過した後の通過光を、所定の角度を含む範囲内で角度を変えながら直線偏光する。強度取得手段１６により、第２偏光手段１５で直線偏光した角度ごとに、通過光の強度分布を取得する。解析手段１７により、第２偏光手段１５による直線偏光の角度と、その角度ごとに取得された通過光の強度分布とに基づいて、ポンプ光による被測定物１の応答情報を取得する。
Description
本発明は、磁気光学測定方法および磁気光学測定装置に関する。
近年の高度情報化社会において、我々の生活を支える情報処理を担うデバイスは、増加の一途をたどっている。これらのデバイスによる消費電力の増加は社会的課題と認知されており、その解決に向けて様々な取り組みがなされている。そのような取り組みにより発展している分野の一つとして、スピントロニクスがあげられる。
スピントロニクスは、従来のエレクトロニクスに代わる情報処理技術である。エレクトロニクスでは、電子のもつ電荷によってビットを表現し、電流によって情報を伝達している。これに対してスピントロニクスでは、電子の持つスピンによってビットを表現し、スピン流によって情報を伝達している。スピントロニクスは、ジュール熱などの損失が少なく、エレクトロニクスに比較して消費電力が少ない情報処理が実現できると期待されており、すでに記憶素子での実用化がなされている。
この様な背景の中、スピントロニクスに適した材料開発も大きく進展してきた。スピントロニクスに利用される材料は、磁性体である。磁性体は、その内部の電子スピンがある方向に固定されており、自発磁化を発現している。この自発磁化の運動は、磁性体中を波として伝搬することが知られており、一般にスピン波あるいはマグノンと呼ばれる。このスピン波は、前述のスピン流の一種であり、スピントロニクスにおいて情報の伝達を担うことができる。電荷を一切利用せず、このスピン波だけによって情報処理及び伝達を実現する技術はマグノニクスと呼ばれ、このマグノニクスを利用したデバイスは、さらに電力消費の小さなデバイスとして期待されている。したがって、スピン波の性質を同定することが、スピントロニクスにおける材料開発において重要である。
物質中の波の性質は、分散関係によって特徴づけられる。分散関係とは、物質中における波の振動数と波数との関係である。分散関係を測定によって決定することが、波の性質の同定に他ならない。
スピン波の分散関係の測定方法として、中性子散乱が知られている。また、近年では、スピン波を、ポンプ・アンド・プローブ法によって直接観測する方法が開発されている（例えば、特許文献１、２参照）。ポンプ・アンド・プローブ法を利用することにより、スピン波を実空間でとらえることが可能である。また、スピン波の実空間での時間変化を測定する方法も開発されている（例えば、非特許文献１乃至３参照）。
T. Satoh, et al., "Directional control of spin-wave emission by spatially shaped light", Nature Photonics, 2012, vol.6, p.662-666
Y. Hashimoto et al., "Ultrafast time-resolved magneto-optical imaging of all-optical switching in GdFeCo with femtosecond time-resolution and a μm spatial resolution", Review of Scientific Instruments, 2014, 85, 063702
N. Ogawa, et al., "Photodrive of magnetic bubbles via magnetoelastic waves", Proceedings of the National Academy of Science, 2015, vol.112, No.29, 8977-8981
しかしながら、中性子散乱では、波数の大きな波しか測定できず、スピン波の分散関係の全容を知ることはできないという課題があった。また、特許文献１に記載のポンプ・アンド・プローブ法を用いる方法では、高い分解能で測定しようとすると、広範囲のイメージングを行う必要があるため、測定に膨大な時間がかかり、スピン波の分散関係どころか、スピン波の空間情報を求めるのも困難であるという課題があった。このため、特許文献２では、測定によりスピン波の分散関係を求めのではなく、理論的なモデルから分散関係を計算しておき、測定されたスピン波の実空間像にフィッティングすることで、分散関係の類推を行っている。
また、非特許文献１に記載の実空間での時間変化を測定する方法では、高い分解能で測定しようとすると、広範囲だけでなく、長時間のイメージングを行う必要があるため、測定に膨大な時間がかかり、スピン波の空間情報および時間情報を求めるのはやはり困難であるという課題があった。このため、スピン波の分散関係を求めるのも困難であるという課題があった。また、非特許文献２に記載の方法では、微小な磁化のダイナミクスをとらえているが、スピン波の空間情報および時間情報の取得には至っていない。また、非特許文献３に記載の実空間でのイメージングでは、測定される光強度信号が、磁化に由来する成分だけを抽出できておらず、スピン波の伝搬を見ることはできていないという課題があった。
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、スピン波の空間情報を取得することができる磁気光学測定方法および磁気光学測定装置を提供することを目的とする。また、スピン波の空間情報および時間情報を、広範囲かつ長時間に渡って、現実的な測定時間内に取得することができる磁気光学測定方法および磁気光学測定装置を提供することも目的とする。さらに、スピン波の分散関係を直接決定することができる磁気光学測定方法および磁気光学測定装置を提供することも目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る磁気光学測定方法は、磁性を有する被測定物に対し、パルス光から成るポンプ光を照射するポンプ光照射工程と、前記被測定物に対して、前記ポンプ光から所定の遅延時間だけ遅らせて、所定の角度で直線偏光されたプローブ光を照射するプローブ光照射工程と、前記プローブ光が前記被測定物を通過した後の通過光を、前記所定の角度を含む範囲内で角度を変えながら直線偏光させる偏光工程と、前記通過光を直線偏光した角度ごとに前記通過光の強度分布を取得する強度取得工程と、前記通過光を直線偏光した角度と、その角度ごとの前記通過光の強度分布とに基づいて、前記ポンプ光による前記被測定物の応答情報を得る応答情報取得工程とを、有することを特徴とする。
本発明に係る磁気光学測定装置は、磁性を有する被測定物に対し、パルス光から成るポンプ光を照射可能に設けられたポンプ光照射手段と、前記被測定物に対して、前記ポンプ光から所定の遅延時間だけ遅らせてプローブ光を照射可能に設けられたプローブ光照射手段と、前記被測定物への照射前に、前記プローブ光を所定の角度で直線偏光可能に設けられた第１偏光手段と、前記プローブ光が前記被測定物を通過した後の通過光を、前記所定の角度を含む範囲内で角度を変えながら直線偏光可能に設けられた第２偏光手段と、前記第２偏光手段で直線偏光した角度ごとに、前記通過光の強度分布を取得可能に設けられた強度取得手段と、前記第２偏光手段による直線偏光の角度と、その角度ごとに前記強度取得手段で取得された前記通過光の強度分布とに基づいて、前記ポンプ光による前記被測定物の応答情報を取得可能に設けられた解析手段とを、有することを特徴とする。
本発明に係る磁気光学測定方法は、本発明に係る磁気光学測定装置により好適に実施することができる。本発明に係る磁気光学測定方法および磁気光学測定装置は、ポンプ・アンド・プローブ法を利用して、被測定物の応答情報を得ることができる。すなわち、磁性を有する被測定物に対し、ポンプ光を照射することにより、被測定物の内部の磁化が歳差運動をはじめ、この歳差運動が伝搬してスピン波となる。プローブ光は、磁気光学効果を通じて、磁化の歳差運動の情報を獲得する。ここで、一般に知られている様に、光の進行方向と平行な磁化の運動は、ファラデー効果を通じて直線偏光の偏光角をθＦだけ回転させる。ファラデー効果は磁気光学効果の一つであり、磁化が存在することで、物質の誘電率テンソルに非対角成分が生じることに起因している普遍的な現象である。本発明に係る磁気光学測定方法および磁気光学測定装置は、被測定物の応答情報として、プローブ光を通じて、このファラデー効果による直線偏光の回転角（ファラデー回転角）θＦの空間分布を取得することができる。さらに、このθＦの空間分布は、スピン波を発生させる磁化の歳差運動に起因しているため、ポンプ光により励起された被測定物のスピン波の空間情報を得ることができる。
本発明に係る磁気光学測定方法および磁気光学測定装置は、具体的には以下の原理に従って、被測定物の応答情報として、スピン波の空間情報を得ることができる。すなわち、通過光の光軸に対して垂直な平面の、平面上の位置（ｘ，ｙ）での通過光の強度分布Ｉ（ｘ，ｙ，α，τ）は、（１）式で表される。この強度分布Ｉは、例えばＣＣＤカメラなどで通過光を受光することにより、通過光の強度分布画像として測定することができる。
Ｉ（ｘ，ｙ，α，τ）＝Ｉ０（θ－２αλ／２）２ （３）
以下の議論では簡単のために、偏光子を回転させる系を考慮して議論する。
（３）式は、偏光子などによる回転角αを変数とした二次関数になっている。このため、所定の遅延時間τを設定した後、偏光子などによる回転角αを変数として、通過光をＣＣＤカメラなどにより測定することにより、光強度Ｉをαの関数として（３）式でフィッティングすることができる。これにより、強度Ｉ０およびθについて、実測値を得ることができる。θに含まれるバックグランドノイズθｂは、ポンプ光の照射がないシグナルとの差分をとることで除去することが可能であり、結果としてθ＝θＦとなり、ファラデー回転角θＦを直接測定することができる。
以上の原理から、本発明に係る磁気光学測定方法で、前記強度取得工程は、前記通過光の光軸に対して垂直な平面で、前記通過光の強度分布を取得し、前記応答情報取得工程は、前記平面上の所定の位置（ｘ，ｙ）ごとに、前記通過光を偏光した各角度αと、各角度αに対応する前記通過光の強度Ｉとの関係を、（３）式でフィッティングすることにより、前記通過光の強度Ｉ０と、前記ポンプ光により前記被測定物で発生するファラデー効果による前記プローブ光の直線偏光の回転角θとを求め、この回転角θの前記平面上の分布から、前記ポンプ光により励起された前記被測定物のスピン波の空間情報を得ることが好ましい。
また、本発明に係る磁気光学測定装置で、前記強度取得手段は、前記通過光の光軸に対して垂直な平面で、前記通過光の強度分布を取得可能に設けられ、前記解析手段は、前記平面上の所定の位置（ｘ，ｙ）ごとに、前記通過光を偏光した各角度αと、各角度αに対応する前記通過光の強度Ｉとの関係を、（３）式でフィッティングすることにより、前記通過光の強度Ｉ０と、前記ポンプ光により前記被測定物で発生するファラデー効果による前記プローブ光の直線偏光の回転角θとを求め、この回転角θの前記平面上の分布から、前記ポンプ光により励起された前記被測定物のスピン波の空間情報を取得可能であることが好ましい。
具体的にθを求める方法としては、例えば、以下の方法がある。すなわち、所定の各位置（ｘ，ｙ）、ＣＣＤカメラの場合は各ピクセル（ｘ，ｙ）において、通過光を偏光した角度αｉ（ｉ＝１～Ｎ）のときに得られる強度Ｉ（ｉ）は、それぞれ（３）式で表されるため、全ての角度αｉの式をまとめると、（４）式の線形方程式で表すことができる。Ｎは、角度αを変えたときの全ての測定回数である。
ここで、右辺の３×Ｎ行列の転置行列を、（４）式の両辺の左からかけることにより、（５）式が得られる。
この（５）式を用いることにより、パラメータである偏光角αｉと、実測値である各位置でのプローブ光の強度Ｉ（ｉ）とから、磁化の歳差運動情報であるファラデー回転角θ（＝θＦ）を計算することができる。この計算では、例えば、最小二乗法を使用してθを求めることができる。こうして、（５）式を用いて全ての位置でのθを求めることにより、スピン波の空間情報を得ることができる。
さらに、本発明に係る磁気光学測定方法および磁気光学測定装置は、ポンプ光に対するプローブ光の遅延時間τを変化させることにより、各時刻におけるスピン波の空間情報を取得することができる。すなわち、本発明に係る磁気光学測定方法は、前記遅延時間を変化させながら各工程を繰り返す繰り返し工程と、各遅延時間に対して前記応答情報取得工程で得られた前記被測定物の応答情報から、前記被測定物の応答の時空間情報を得る時空間情報取得工程とを有することが好ましい。また、本発明に係る磁気光学測定装置は、前記遅延時間を変化可能に設けられた遅延時間変更手段を有し、前記強度取得手段は、各遅延時間ごと、および前記第２偏光手段で直線偏光した角度ごとに、前記通過光の強度分布を取得可能であり、前記解析手段は、各遅延時間に対して前記被測定物の応答情報を取得して、前記被測定物の応答の時空間情報を取得可能であることが好ましい。
この遅延時間を変化させる場合、各遅延時間において（５）式を用いて各位置（各ピクセルなど）でのθを計算することにより、被測定物の応答の時空間情報、すなわちスピン波の空間情報および時間情報を得ることができる。しかし、（５）式の計算では、右辺の３×３行列の計算量が大きいため、各ピクセルごとに（５）式の３×３行列を計算していると、その計算量が厖大になってしまい、現実的な測定時間内にスピン波の時空間情報を得ることはできない。
そこで、各遅延時間において、（５）式の３×３行列をピクセルごとに計算するのではなく、その遅延時間に対応する偏光角αｉに対して（５）式の３×３行列の計算を１回行い、ここで得られた３×３行列を全てのピクセルに共通して利用することにより、各遅延時間で、その行列計算を１回だけで済ませることができる。これにより、計算量を大幅に減らすことができ、現実的な時間内に、各位置（ピクセル）、各遅延時間においてファラデー回転角θを計算し、被測定物の応答の時空間情報を得ることができる。また、そのθの時空間情報から、スピン波の空間情報および時間情報を得ることができる。計算時間を大幅に短縮することができるため、広範囲かつ長時間に渡って被測定物の応答情報を測定することができ、広範囲かつ長時間に渡ってスピン波の時空間情報を得ることができる。
さらに、通過光を直線偏光する各角度αｉを、各遅延時間に対して同じにすることにより、遅延時間が変わっても（５）式の右辺の３×３行列は変化しないため、その行列計算を１回だけで済ませることができ、計算量をさらに減らすことができる。
さらに、このフィッティングの計算には、グラフィックプロセッサ（GPU）を利用することが好ましい。GPUの並列処理を活用することで、一般的なCPUを利用した場合と比較して、３倍以上の計算速度が得られる。
さらに、通過光を直線偏光する各角度αｉを、各遅延時間に対して同じにすることにより、遅延時間が変わっても（５）式の右辺の３×３行列は変化しないため、その行列計算を１回だけで済ませることができ、計算量をさらに減らすことができる。
さらに、このフィッティングの計算には、グラフィックプロセッサ（GPU）を利用することが好ましい。GPUの並列処理を活用することで、一般的なCPUを利用した場合と比較して、３倍以上の計算速度が得られる。
さらに、本発明に係る磁気光学測定方法および磁気光学測定装置は、前記被測定物の応答の時空間情報をフーリエ変換することにより、前記被測定物の逆空間情報を得ることができる。ここで、（５）式を用いて求める物理量は、ファラデー回転角θであり、これは被測定物の誘電率の非対角成分に相当する。この非対角成分は、被測定物の磁化の面直成分に比例する成分を有し、この磁化の面直成分は、外場であるポンプ光に対する被測定物の線形応答として評価できる。これは、一般的な線形応答の理論によれば、（６）式のように書ける。
すなわち、ファラデー回転角θを測定することは、被測定物の応答関数を直接測定していることに等しい。このため、（８）式に示すように、得られたファラデー回転角θをフーリエ変換することにより、応答関数のフーリエ変換、すなわち分散関係を直接求めることができる。
ここで、ファラデー回転角θの時空間情報を求めることは、スピン波の時空間情報を求めることに対応しているため、ファラデー回転角θの時空間情報のフーリエ変換は、スピン波の分散関係を求めることに対応している。このように、本発明に係る磁気光学測定方法および磁気光学測定装置は、被測定物の応答の時空間情報をフーリエ変換することにより、前記被測定物の逆空間情報として、前記ポンプ光により励起された前記被測定物のスピン波の分散関係を得ることができる。
本発明に係る磁気光学測定方法で、前記ポンプ光および前記プローブ光は、ピコ秒またはフェムト秒レーザーから成ることが好ましい。本発明に係る磁気光学測定装置で、前記ポンプ光照射手段は、前記ポンプ光としてフェムト秒レーザーを照射可能であり、前記プローブ光照射手段は、前記プローブ光としてフェムト秒レーザーを照射可能であることが好ましい。この場合、ギガヘルツ以上の周波数分解能に優れた被測定物の応答情報を得ることができる。
本発明に係る磁気光学測定方法で、前記ポンプ光は、その進行方向に対して垂直な断面でのスポット径が１０μｍ以下であることが好ましい。本発明に係る磁気光学測定装置で、前記ポンプ光照射手段は、前記ポンプ光を、その進行方向に対して垂直な断面でのスポット径が１０μｍ以下で照射可能であることが好ましい。この場合、ポンプ光が長短様々な波数成分を含むため、被測定物内に長短さまざまな波数を持つスピン波を同時に励起することができる。さらにポンプ光としてフェムト秒レーザーを使用することにより、ポンプ光を時間・空間におけるδ関数により近づけることができ、被測定物の応答関数を高精度で得ることができる。また、その応答情報をフーリエ変換することにより、被測定物の分散関係を高精度で得ることができる。
本発明に係る磁気光学測定方法で、前記プローブ光は、その進行方向に対して垂直な断面でのスポット径が１００μｍ以上であることが好ましい。本発明に係る磁気光学測定装置で、前記プローブ光照射手段は、前記プローブ光を、その進行方向に対して垂直な断面でのスポット径が１００μｍ以上で照射可能であることが好ましい。また、プローブ光のスポット径は、１００μｍ～２ｍｍであってもよい。この場合、広範囲に渡って被測定物の応答情報を測定することができる。また、プローブ光のスポット径は、スピン波の減衰長よりも大きいことが望ましい。この場合、スピン波の時間変化の様子が全てイメージに収まるため、被測定物の分散関係を高精度で得ることができる。
本発明に係る磁気光学測定方法および磁気光学測定装置で、被測定物は、磁性を有しているものであればいかなるものであっても良い。被測定物は、例えば、磁性体であっても、磁性体を含む物質であってもよい。また、被測定物は、スピン波の減衰長よりも大きいことが望ましい。この場合、被測定物の端での反射波との干渉によって、スピン波の自由な伝搬が影響を受けない。そのため、被測定物の分散関係を高精度で得ることができる。
本発明に係る磁気光学測定方法は、磁性を有する被測定物に対し、パルス光から成るポンプ光を照射し、前記被測定物に対してプローブ光を照射し、前記プローブ光が前記被測定物を通過した後の通過光を測定することにより、前記ポンプ光による前記被測定物の応答の実空間情報を取得し、前記実空間情報を逆空間情報にフーリエ変換することにより、前記被測定物の応答の分散関係を得てもよい。また、この場合、前記プローブ光は、所定の角度で直線偏光されており、前記被測定物に対して、前記ポンプ光から所定の遅延時間だけ遅らせて照射され、前記通過光を、前記所定の角度を含む範囲内で角度を変えながら直線偏光させて、その直線偏光の角度ごとに前記通過光の強度分布を取得し、前記通過光を直線偏光した角度と、その角度ごとの前記通過光の強度分布とに基づいて、前記実空間情報を取得し、前記遅延時間を変化させながら前記プローブ光を照射し、各遅延時間ごとに、前記通過光の直線偏光の角度ごとの前記通過光の強度分布を取得して前記実空間情報を取得し、各遅延時間ごとに得られた前記実空間情報をフーリエ変換することにより前記分散関係を得てもよい。この場合、スピン波の実空間情報を取得することができ、さらに、スピン波の分散関係を直接決定することができる。
本発明によれば、スピン波の空間情報を取得することができる磁気光学測定方法および磁気光学測定装置を提供することができる。また、スピン波の空間情報および時間情報を、広範囲かつ長時間に渡って、現実的な測定時間内に取得することができる磁気光学測定方法および磁気光学測定装置を提供することもできる。さらに、スピン波の分散関係を直接決定することができる磁気光学測定方法および磁気光学測定装置を提供することもできる。
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図６は、本発明の実施の形態の磁気光学測定方法および磁気光学測定装置を示している。
図１に示すように、磁気光学測定装置１０は、光源（図示せず）とポンプ光照射手段１１とプローブ光照射手段１２と遅延時間変更手段１３と第１偏光手段１４と第２偏光手段１５と強度取得手段１６と解析手段１７とを有している。
図１乃至図６は、本発明の実施の形態の磁気光学測定方法および磁気光学測定装置を示している。
図１に示すように、磁気光学測定装置１０は、光源（図示せず）とポンプ光照射手段１１とプローブ光照射手段１２と遅延時間変更手段１３と第１偏光手段１４と第２偏光手段１５と強度取得手段１６と解析手段１７とを有している。
光源は、波長800nm、パルス幅80fsのフェムト秒レーザーを射出可能になっている。また、光源は、射出したレーザー光を、二つに分波し、一方をそのままポンプ光としてポンプ光照射手段１１に伝搬し、他方をパラメトリック増幅器に入力して波長630nmへと変調した後、プローブ光としてプローブ光照射手段１２に伝搬するよう構成されている。
ポンプ光照射手段１１は、偏光子１１ａとハーフミラー１１ｂと対物レンズ１１ｃとを有している。偏光子１１ａは、ポンプ光を直線偏光とするための偏光子から成っている。なお、λ／４波長板を用いて、ポンプ光を円偏光としてもよい。ポンプ光照射手段１１は、光源からのポンプ光の偏光を、偏光子１１ａで調整した後、ハーフミラー１１ｂにより対物レンズ１１ｃの光軸にポンプ光を導入し、磁性を有する被測定物１にポンプ光を照射するよう構成されている。ポンプ光照射手段１１は、対物レンズ１１ｃにより、ポンプ光を被測定物１の一点に集光して照射するようになっている。なお、図１に示す具体的な一例では、被測定物１は、ビスマスがドープされたイットリウム鉄ガーネット（Bi:YIG）であり、厚さ４μｍで面積１cm×１cmの磁性体薄膜から成っている。
ポンプ光照射手段１１は、被測定物１に対し、フェムト秒レーザーのパルス光から成るポンプ光を照射可能になっている。ポンプ光照射手段１１は、ポンプ光を、その進行方向に対して垂直な断面でのスポット径が１０μｍ以下で照射可能になっている。図１に示す具体的な一例では、被測定物１の一点に集光されるポンプ光のスポット径は、約4μmである。このように、ポンプ光は、実質的に、空間的にも時間的にもδ関数的なパルス入力とみなすことが可能である。
プローブ光照射手段１２は、被測定物１に対し、フェムト秒レーザーから成る、光源からのプローブ光を照射可能になっている。プローブ光照射手段１２は、プローブ光を、その進行方向に対して垂直な断面でのスポット径が１００μｍ～２ｍｍで照射可能になっている。図１に示す具体的な一例では、空間的に広範囲な情報を獲得するために、プローブ光のビーム径は、１mm程度に調整されている。
遅延時間変更手段１３は、プローブ光照射手段１２のプローブ光の光路に設けられた遅延光路から成っている。遅延時間変更手段１３は、ポンプ光から所定の遅延時間だけ遅らせて、プローブ光を被測定物１に照射可能になっている。遅延時間変更手段１３は、プローブ光の光路を延ばしたり縮めたりすることにより、遅延時間を変化可能になっている。
第１偏光手段１４は、グランテーラープリズムから成り、プローブ光から被測定物１に照射する前に、プローブ光を所定の角度で直線偏光可能に配置されている。第２偏光手段１５は、１／２波長板１５ａとグランテーラープリズムから成る偏光子１５ｂとから成っている。１／２波長板１５ａは、回転ステージに取り付けられており、通過光の光軸回りに任意の角度に設定できるよう構成されている。偏光子１５ｂは、その直線偏光面が第１偏光手段１４の直線偏光面と直交を成す、直交クロスニコル配置で設けられている。図１に示す具体的な一例では、被測定物１を通過した通過光は、ポンプ光とは逆向きに進み、対物レンズ１１ｃによって平行光線に調整され、ハーフミラー１１ｂを透過した後、第２偏光手段１５に入射されて、１／２波長板１５ａおよび偏光子１５ｂにより直線偏光されるようになっている。
図１に示す具体的な一例では、磁気光学測定装置１０は、第１偏光手段１４によるプローブ光の直線偏光角を、０°としている。プローブ光が被測定物１を通過した後の通過光は、被測定物の磁化を反映して、その直線偏光角がファラデー角θ（＝θＦ）だけ回転される。このため、１／２波長板１５ａのファスト軸と第１変更手段１４の偏光軸とが成す角度をαとすると、１／２波長板１５ａによって通過光の偏光角は、２（θ－α）となる。この偏光角を持った通過光は、直交クロスニコル配置に置かれた偏光子１５ｂを通過することにより、当初のプローブ光の直線偏光面に直交する成分が抽出される。
強度取得手段１６は、ＣＣＤカメラを有し、第２偏光手段１５で直線偏光された通過光の強度分布を、通過光の光軸に対して垂直な平面で取得可能に設けられている。強度取得手段１６は、遅延時間変更手段１３による各遅延時間ごと、および第２偏光手段１５で直線偏光した角度ごとに、通過光の強度分布を取得可能になっている。また、強度取得手段１６は、ＣＣＤカメラの前段にカラーフィルタ１６ａを有し、ポンプ光の反射光がＣＣＤカメラに入射するのを防止するようになっている。図１に示す具体的な一例では、強度取得手段１６は、16μｍ×16μｍの範囲に数百万画素を有するものから成っている。また、強度取得手段１６は、100μm×100μmの領域をイメージング可能になっている。
解析手段１７は、コンピュータから成り、遅延時間変更手段１３による各遅延時間ごとに、第２偏光手段１５による直線偏光の角度と、その角度ごとに強度取得手段１６で取得された通過光の強度分布とに基づいて、ポンプ光による被測定物１の応答情報を取得可能になっている。これにより、解析手段１７は、被測定物１の応答の時空間情報を取得可能になっている。また、解析手段１７は、被測定物１の応答の時空間情報をフーリエ変換することにより、被測定物１の逆空間情報として、ポンプ光により励起された被測定物１のスピン波の分散関係を取得可能になっている。
本発明の実施の形態の磁気光学測定方法は、磁気光学測定装置１０により好適に実施することができる。本発明の実施の形態の磁気光学測定方法は、被測定物１の面内磁化の歳差運動のうち、その面直成分をファラデー効果による直線偏光の回転角θとしてプローブ光で捕捉する。この回転角θの情報は、ＣＣＤカメラによって検出されるプローブ光強度から算出され、ＣＣＤカメラの持つ空間分解能に相当する高分解な空間情報を取得することができる。また、プローブ光の遅延時間を変化させることにより、各時刻における空間情報を取得することができる。ポンプ光およびプローブ光がフェムト秒レーザーから成るため、時間的にも高い分解能を実現することができる。
本発明の実施の形態の磁気光学測定方法では、まず、被測定物１を面内に磁化するために、被測定物１に適当な外部磁場を印加しておく。次に、図２に示すように、遅延時間変更手段１３により、ポンプ光とプローブ光との間の遅延時間を決定する（ステップ２１）。次に、第２偏光手段１５の１／２波長板１５ａの回転角αを、ある角度α１に設定する（ステップ２２）。ポンプ光およびプローブ光を照射し、強度取得手段１６のＣＣＤカメラにより、プローブ光の通過光の強度分布を取得する（ステップ２３）。これにより、ＣＣＤカメラのピクセル（画素）ごとに、強度Ｉ（１）が得られる（ステップ２４）。遅延時間を固定したまま、１／２波長板１５ａの回転角αをα２に変えて（ステップ２５）、強度取得手段１６により通過光の強度分布を取得する（ステップ２６）。これにより、ＣＣＤカメラのピクセルごとに、強度Ｉ（２）が得られる（ステップ２７）。
同様にして、遅延時間を固定したまま、１／２波長板１５ａの回転角αｉを所定の範囲（例えば、－１０°～＋１０°）の間で変えながら、通過光の強度分布を繰り返し取得する（ステップ２８）。これにより、ＣＣＤカメラのピクセルごとに、強度Ｉ（ｉ）が得られる（ステップ２９）。ＣＣＤカメラのピクセルごとに、強度Ｉをαの関数として（３）式でフィッティングする。実際には、（３）式から変形された（５）式を用い、最小二乗法を使用してフィッティングを行い、磁化の歳差運動情報であるファラデー回転角θを求める（ステップ３０）。これにより、ピクセルごとにファラデー回転角θが求まり、ポンプ光により励起された被測定物１のスピン波の空間情報を取得することができる。次に、遅延時間を変化させて、上記のステップ２２～３０を繰り返す（ステップ３１）。これにより、各時刻におけるスピン波の空間情報、すなわち、スピン波の時空間情報を取得することができる。
本発明の実施の形態の磁気光学測定方法では、ステップ３０において、各遅延時間ごとに（５）式を用いてフィッティングを行い、θを求めている。このような計算プロセスを行うにあたり、最も計算量が大きいものは、（５）式の右辺の３×３行列を得る工程にある。このプロセスをできる限り小さくすることが現実的な測定に不可欠である。具体的には、ピクセル毎に（５）式の３×３行列を計算するのではなく、各遅延時間において、対応する１／２波長板１５ａの回転角αｉに対して（５）式の３×３行列の計算を１回行い、ここで得られた３×３行列を全てのピクセルに共有して利用することで、計算時間を短縮することができる。これにより、計算時間を大幅に減らすことができ、現実的な時間内にピクセル毎のファラデー回転角θを、各遅延時間で測定することができる。また、計算時間を大幅に短縮することができるため、広範囲かつ長時間に渡って被測定物１の応答情報を測定することができ、広範囲かつ長時間に渡ってスピン波の時空間情報を得ることができる。
本発明の実施の形態の磁気光学測定方法および磁気光学測定装置１０により得られた被測定物１のスピン波の時空間情報を、図３に示す。なお、被測定物１は、ビスマスがドープされたイットリウム鉄ガーネット（Bi:YIG）薄膜である。図３（ａ）～（ｆ）は、それぞれ遅延時間 -0.4ns、0.1ns、0.5ns、1.0ns、5.0ns、10.0nsにおける測定結果である。図３（ｂ）に示すように、ポンプ光照射直後では、ポンプ光が照射された原点の位置において、被測定物１の磁化の歳差運動が励起されていることがわかる。また、時間の経過とともに、励起された歳差運動が伝搬している様子が確認できる。被測定物１の大きさが１cm×１cmであり、プローブ光のスポット径１mmよりも十分に大きいため、被測定物１の端による反射や散乱の影響がなく、スピン波の伝搬が直接観察できていると考えられる。
得られた被測定物１のスピン波の時空間情報をフーリエ変換することにより、スピン波の周波数（Frequency：ω）と波数（Wavenumber：k）との関係、すなわちスピン波の分散関係が得られる。得られたスピン波の分散関係を、図４に示す。本発明の実施の形態の磁気光学測定方法および磁気光学測定装置１０では、ポンプ光照射手段１１で照射されるポンプ光のスポット径が4μm、プローブ光照射手段１２で照射されるプローブ光のスポット径が１mmであり、実際にイメージングされる領域をおよそ100μm×100μm と広くできるため、ポンプ光は時間・空間においてδ関数とみなせる。このため、被測定物１のスピン波の時空間情報をフーリエ変換することにより、被測定物１の逆空間情報として、被測定物１のスピン波の分散関係を直接得ることができる。図４（ａ）～（ｇ）に示すように、スピン波の伝搬方向（φの値）に依存して、分散関係（例えば、図４（ｄ）中のＡ～Ｄ）が変化しているのが確認できる。ここで、φは、外部から印加された磁場と、スピン波の伝搬方向との成す角である。
なお、このフーリエ変換を十分な精度で行うためには、高い時空間分解能を維持しながら、広範囲かつ長時間に渡ってスピン波の伝搬が測定できる必要がある。本発明の実施の形態の磁気光学測定方法および磁気光学測定装置１０によれば、高い時間分解能および空間分解能で、広範囲かつ長時間に渡ってスピン波の時空間情報を得ることができる。すなわち、時間分解能は、ポンプ光のパルス幅とプローブ光のパルス幅とで決まっており、サブピコ秒の分解能を備えている。また、空間分解能は、プローブ光の波長による回折限界によって決まっており、1μm程度である。およそ100μm×100μmのイメージング領域を、数百万画素数のＣＣＤカメラで測定するため、100画素程度でこの空間分解能に相当するデータを取得している。この100画素分のデータを平均化することで、100回分の積算に相当する処理を行い、1μmの空間分解能上限に近い測定が可能になっている。また、サブピコ秒の分解能で、数十ナノ秒以上の長時間のイメージングが可能である。また、フィッティングプロセスの高速化により、測定を高速で行うことができるため、多数のイメージを用いた高精度化が実現できる。
本発明の実施の形態の磁気光学測定方法および磁気光学測定装置１０では、測定時に、被測定物１を面内に磁化するために、被測定物１に適当な外部磁場が印加されているが、その外部磁場を変化させたときのスピン波の分散関係を求め、図５に示す。図５（ａ）～（ｆ）に示すように、得られた分散関係のうち原点（０GHz、０cm-1）を通るもの（図中の破線のもの）は、被測定物１に印加する外部磁場を変化させても変化しないことが確認された。この外部磁場に依存しない分散は、フォノンの伝搬が見えていると考えられる。一方で、1GHz～1.5GHzあたりに現れる分散は、磁場が強くなるにつれて、グラフ上方に移動する振る舞いが確認された。この振る舞いは、磁場の増加によって強磁性共鳴周波数が増えたことによるスピン波の分散のシフトと考えられる。このため、これらの分散は、スピン波に対応している。
また、スピン波の分散関係の強度の時間変化を、図６に示す。この分散関係の強度の時間変化は、図３で得られた実時空間イメージから、2ns程度の時間幅の画像を抽出して得ることができる。具体的には、半値幅を2nsとしたガウス関数フィルタを時間軸データへ適用した後に、実時間イメージをフーリエ変換することにより得ることができる。図６（ａ）～（ｄ）に示すように、2nsから8nsになるに従って、分散関係の強度が大きくなっており、時間の経過とともに分散関係の強度が変化することが確認された。特に、フォノンとスピン波の分散とが交差する領域の強度が、時間とともに増大する様子が認められた。このように、本発明の実施の形態の磁気光学測定方法および磁気光学測定装置１０によれば、分散関係の時間変化も測定することができる。
本発明に係る磁気光学測定方法および磁気光学測定装置によれば、YIGに代表される様々な磁性材料について、簡便にスピン波の分散関係を決定することができるため、材料の磁気特性の特定や、スピントロニクスデバイスの評価・試験などに利用することができる。
１ 被測定物
１０ 磁気光学測定装置
１１ ポンプ光照射手段
１１ａ 偏光子
１１ｂ ハーフミラー
１１ｃ 対物レンズ
１２ プローブ光照射手段
１３ 遅延時間変更手段
１４ 第１偏光手段
１５ 第２偏光手段
１５ａ １／２波長板
１５ｂ 偏光子
１６ 強度取得手段
１６ａ カラーフィルタ
１７ 解析析手段
１０ 磁気光学測定装置
１１ ポンプ光照射手段
１１ａ 偏光子
１１ｂ ハーフミラー
１１ｃ 対物レンズ
１２ プローブ光照射手段
１３ 遅延時間変更手段
１４ 第１偏光手段
１５ 第２偏光手段
１５ａ １／２波長板
１５ｂ 偏光子
１６ 強度取得手段
１６ａ カラーフィルタ
１７ 解析析手段
Claims (26)
- 磁性を有する被測定物に対し、パルス光から成るポンプ光を照射するポンプ光照射工程と、
前記被測定物に対して、前記ポンプ光から所定の遅延時間だけ遅らせて、所定の角度で直線偏光されたプローブ光を照射するプローブ光照射工程と、
前記プローブ光が前記被測定物を通過した後の通過光を、前記所定の角度を含む範囲内で角度を変えながら直線偏光させる偏光工程と、
前記通過光を直線偏光した角度ごとに前記通過光の強度分布を取得する強度取得工程と、
前記通過光を直線偏光した角度と、その角度ごとの前記通過光の強度分布とに基づいて、前記ポンプ光による前記被測定物の応答情報を得る応答情報取得工程とを、
有することを特徴とする磁気光学測定方法。 - 前記応答情報取得工程は、前記被測定物の応答情報として、前記ポンプ光により励起された前記被測定物のスピン波の空間情報を得ることを特徴とする請求項１記載の磁気光学測定方法。
- 前記強度取得工程は、前記通過光の光軸に対して垂直な平面で、前記通過光の強度分布を取得し、
前記応答情報取得工程は、前記平面上の所定の位置（ｘ，ｙ）ごとに、前記通過光を偏光した各角度αと、各角度αに対応する前記通過光の強度Ｉとの関係を、二次関数でフィッティングすることにより、前記通過光の強度Ｉ０と、前記ポンプ光により前記被測定物で発生するファラデー効果による前記プローブ光の直線偏光の回転角θとを求め、この回転角θの前記平面上の分布から、前記ポンプ光により励起された前記被測定物のスピン波の空間情報を得ることを
特徴とする請求項１記載の磁気光学測定方法。 - 前記強度取得工程は、前記通過光の光軸に対して垂直な平面で、前記通過光の強度分布を取得し、
前記応答情報取得工程は、前記平面上の所定の位置（ｘ，ｙ）ごとに、前記通過光を偏光した各角度αｉ（ｉ＝１～Ｎ、Ｎは前記通過光を偏光した角度を変えたときの全ての測定回数）と、各角度αｉに対応する前記通過光の強度Ｉ（ｉ）との関係を、
特徴とする請求項１記載の磁気光学測定方法。 - 前記遅延時間を変化させながら各工程を繰り返す繰り返し工程と、
各遅延時間に対して前記応答情報取得工程で得られた前記被測定物の応答情報から、前記被測定物の応答の時空間情報を得る時空間情報取得工程とを、
有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気光学測定方法。 - 前記遅延時間を変化させながら各工程を繰り返す繰り返し工程と、
各遅延時間に対して前記応答情報取得工程で得られた前記被測定物の空間情報から、前記被測定物の応答の時空間情報を得る時空間情報取得工程とを有し、
前記応答情報取得工程は、各遅延時間に対して、前記関係式の右辺の３×３行列の計算を１回行い、得られた３×３行列を全ての位置（ｘ，ｙ）でのフィッティングに共通して利用することにより、前記被測定物のスピン波の空間情報を得ることを
特徴とする請求項４記載の磁気光学測定方法。 - 前記被測定物の応答の時空間情報をフーリエ変換することにより、前記被測定物の逆空間情報を得ることを特徴とする請求項５または６記載の磁気光学測定方法。
- 前記偏光工程で前記通過光を直線偏光する各角度を、前記繰り返し工程の各遅延時間に対して同じにすることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の磁気光学測定方法。
- 前記被測定物の応答の時空間情報をフーリエ変換することにより、前記被測定物の逆空間情報として、前記ポンプ光により励起された前記被測定物のスピン波の分散関係を得ることを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１項に記載の磁気光学測定方法。
- 前記ポンプ光および前記プローブ光は、ピコ秒またはフェムト秒レーザーから成ることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の磁気光学測定方法。
- 前記ポンプ光は、その進行方向に対して垂直な断面でのスポット径が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の磁気光学測定方法。
- 前記プローブ光は、その進行方向に対して垂直な断面でのスポット径が１００μｍ～２ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の磁気光学測定方法。
- 前記偏光工程で、前記通過光を直線偏光する角度の範囲は、前記所定の角度－１０°～前記所定の角度＋１０°の範囲であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の磁気光学測定方法。
- 前記強度取得工程は、前記通過光を受光して、前記通過光の強度分布画像を取得することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の磁気光学測定方法。
- 磁性を有する被測定物に対し、パルス光から成るポンプ光を照射し、
前記被測定物に対してプローブ光を照射し、
前記プローブ光が前記被測定物を通過した後の通過光を測定することにより、前記ポンプ光による前記被測定物の応答の実空間情報を取得し、
前記実空間情報を逆空間情報にフーリエ変換することにより、前記被測定物の応答の分散関係を得ることを
特徴とする磁気光学測定方法。 - 前記プローブ光は、所定の角度で直線偏光されており、前記被測定物に対して、前記ポンプ光から所定の遅延時間だけ遅らせて照射され、
前記通過光を、前記所定の角度を含む範囲内で角度を変えながら直線偏光させて、その直線偏光の角度ごとに前記通過光の強度分布を取得し、
前記通過光を直線偏光した角度と、その角度ごとの前記通過光の強度分布とに基づいて、前記実空間情報を取得し、
前記遅延時間を変化させながら前記プローブ光を照射し、各遅延時間に対して、前記通過光の直線偏光の角度ごとの前記通過光の強度分布を取得して前記実空間情報を取得し、
各遅延時間に対して得られた前記実空間情報をフーリエ変換することにより前記分散関係を得ることを
特徴とする請求項１５記載の磁気光学測定方法。 - 磁性を有する被測定物に対し、パルス光から成るポンプ光を照射可能に設けられたポンプ光照射手段と、
前記被測定物に対して、前記ポンプ光から所定の遅延時間だけ遅らせてプローブ光を照射可能に設けられたプローブ光照射手段と、
前記被測定物への照射前に、前記プローブ光を所定の角度で直線偏光可能に設けられた第１偏光手段と、
前記プローブ光が前記被測定物を通過した後の通過光を、前記所定の角度を含む範囲内で角度を変えながら直線偏光可能に設けられた第２偏光手段と、
前記第２偏光手段で直線偏光した角度ごとに、前記通過光の強度分布を取得可能に設けられた強度取得手段と、
前記第２偏光手段による直線偏光の角度と、その角度ごとに前記強度取得手段で取得された前記通過光の強度分布とに基づいて、前記ポンプ光による前記被測定物の応答情報を取得可能に設けられた解析手段とを、
有することを特徴とする磁気光学測定装置。 - 前記解析手段は、前記被測定物の応答情報として、前記ポンプ光により励起された前記被測定物のスピン波の空間情報を取得可能であることを特徴とする請求項１７記載の磁気光学測定装置。
- 前記強度取得手段は、前記通過光の光軸に対して垂直な平面で、前記通過光の強度分布を取得可能に設けられ、
前記解析手段は、前記平面上の所定の位置（ｘ，ｙ）ごとに、前記通過光を偏光した各角度αと、各角度αに対応する前記通過光の強度Ｉとの関係を、二次関数でフィッティングすることにより、前記通過光の強度Ｉ０と、前記ポンプ光により前記被測定物で発生するファラデー効果による前記プローブ光の直線偏光の回転角θとを求め、この回転角θの前記平面上の分布から、前記ポンプ光により励起された前記被測定物のスピン波の空間情報を取得可能であることを
特徴とする請求項１７記載の磁気光学測定装置。 - 前記強度取得手段は、前記通過光の光軸に対して垂直な平面で、前記通過光の強度分布を取得可能に設けられ、
前記解析手段は、前記平面上の所定の位置（ｘ，ｙ）ごとに、前記通過光を偏光した各角度αｉ（ｉ＝１～Ｎ、Ｎは前記通過光を偏光した角度を変えたときの全ての測定回数）と、各角度αｉに対応する前記通過光の強度Ｉ（ｉ）との関係を、
特徴とする請求項１７記載の磁気光学測定装置。 - 前記遅延時間を変化可能に設けられた遅延時間変更手段を有し、
前記強度取得手段は、各遅延時間ごと、および前記第２偏光手段で直線偏光した角度ごとに、前記通過光の強度分布を取得可能であり、
前記解析手段は、各遅延時間に対して前記被測定物の応答情報を取得して、前記被測定物の応答の時空間情報を取得可能であることを
特徴とする請求項１７乃至２０のいずれか１項に記載の磁気光学測定装置。 - 前記遅延時間を変化可能に設けられた遅延時間変更手段を有し、
前記強度取得手段は、各遅延時間ごと、および前記第２偏光手段で直線偏光した角度ごとに、前記通過光の強度分布を取得可能であり、
前記解析手段は、各遅延時間に対して、前記関係式の右辺の３×３行列の計算を１回行い、得られた３×３行列を全ての位置（ｘ，ｙ）でのフィッティングに共通して利用することにより、前記被測定物のスピン波の空間情報を取得し、その各遅延時間の前記被測定物のスピン波の空間情報から、前記被測定物の応答の時空間情報を取得可能であることを
特徴とする請求項２０記載の磁気光学測定装置。 - 前記解析手段は、前記被測定物の応答の時空間情報をフーリエ変換することにより、前記被測定物の逆空間情報を取得可能であることを特徴とする請求項２１または２２記載の磁気光学測定方法。
- 前記第２変更手段は、前記通過光を直線偏光する各角度を、各遅延時間に対して同じにするよう構成されていることを特徴とする請求項２１乃至２３のいずれか１項に記載の磁気光学測定装置。
- 前記解析手段は、前記被測定物の応答の時空間情報をフーリエ変換することにより、前記被測定物の逆空間情報として、前記ポンプ光により励起された前記被測定物のスピン波の分散関係を取得可能であることを特徴とする請求項２１乃至２４のいずれか１項に記載の磁気光学測定装置。
- 前記強度取得手段は、前記通過光を受光して、前記通過光の強度分布画像を取得可能に設けられていることを特徴とする請求項１７乃至２５のいずれか１項に記載の磁気光学測定装置。
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|---|---|
| JPWO2017119237A1 (ja) | 2018-10-25 |
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