WO2024019066A1 - 情報生成装置及び情報生成方法 - Google Patents

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WO2024019066A1
WO2024019066A1 PCT/JP2023/026340 JP2023026340W WO2024019066A1 WO 2024019066 A1 WO2024019066 A1 WO 2024019066A1 JP 2023026340 W JP2023026340 W JP 2023026340W WO 2024019066 A1 WO2024019066 A1 WO 2024019066A1
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magnetic field
magnon
frequency
magnetic
information
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PCT/JP2023/026340
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English (en)
French (fr)
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崇彦 巻内
祐樹 清水
友智 日置
幸治郎 星
英治 齊藤
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国立大学法人東京大学
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00—Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
    • G06N10/40—Physical realisations or architectures of quantum processors or components for manipulating qubits, e.g. qubit coupling or qubit control
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/82—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of the magnetic field applied to the device
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass

Definitions

  • the present disclosure relates to an information generation device and an information generation method.
  • Patent Document 1 describes a quantum computer configured with quantum bits using superconducting materials.
  • Quantum computers that use superconducting materials use cooling devices that can accommodate the superconducting materials, but the space within the cooling device is limited.
  • a computer that can operate at room temperature by exploiting the dynamics of magnetism in magnetic materials, it would be possible to build large-scale computers since there would be no space limitations.
  • the precession of macroscopic magnetic moments in magnetic materials decays over a relaxation time of several tens to hundreds of nanoseconds. This relaxation time is shorter than the maximum coherence time of several hundred microseconds for quantum computers using superconducting materials. For this reason, there are limits to the computational algorithms that can be executed.
  • an object of the present disclosure is to provide an information generation device and an information generation method that can lengthen the coherence time in magnetic dynamics.
  • An information generation device includes: a magnetic body; a magnetic field applying unit that applies a magnetic field to the magnetic body; and an AC magnetic field applied to the magnetic body to which the magnetic field is applied; an information generating unit that generates a first magnon having a first frequency having coherence information and a second magnon having a second frequency that is half the first frequency, the second magnon having the coherence information It relaxes slower than the first magnon and interacts with the first magnon.
  • the second frequency is half of the first frequency
  • strong interaction for example, 3-magnon interaction
  • the unit time for annihilating the second magnon and generating the first magnon is You can increase the amount of hits.
  • the relaxation of the second magnon is slow, the rate of decrease in the number of occupied second magnons, which is the source of the reaction that generates the first magnon, can be slowed down, so the reaction can be maintained for a long time.
  • the first magnon whose occupied number decreases rapidly due to its rapid relaxation, can be allowed to exist for a long time, so that coherence information can be made available for a long time. Therefore, the coherence time can be increased in magnetic dynamics.
  • the first magnon and the two second magnons having wave number vectors in opposite directions may have the interaction.
  • the dispersion relationship of the magnon in the magnetic body to which the magnetic field is applied exhibits the first frequency, which is a maximum value when the magnitude of the wave number vector of the magnon is zero, and the wave number
  • the second frequency may be a minimum value when the component of the vector in the magnetic field direction is a first value and a second value with a different sign from the first value.
  • the two minimum values become two bottoms with few relaxation channels, and the frequencies of the two bottoms are the second frequency, thereby realizing a configuration in which the relaxation of the two second magnons is slow.
  • the magnons that relax from the excited state are accumulated at the two bottoms, so that many second magnons can exist for a long time.
  • the alternating current magnetic field includes a first alternating magnetic field having the first frequency and a second alternating magnetic field having a third frequency twice the first frequency, and the information generation unit A first alternating current magnetic field may be applied to the magnetic body, and while the first alternating current magnetic field is being applied to the magnetic body, the second alternating current magnetic field may be applied to the magnetic body.
  • the first alternating current magnetic field is applied to the magnetic material.
  • the phase of the first magnon can be controlled and the content of coherence information can be stabilized.
  • the parametrically excited first magnon of the first frequency and the relaxation of the first magnon can be accumulated.
  • the coherence information of the second magnon at the second frequency can be controlled.
  • the magnetic field may be determined based on at least one of an exchange interaction constant, saturation magnetization, film thickness, and magnetic anisotropy constant of the magnetic body.
  • the magnetic field that can realize the 3-magnon interaction between the first magnon and the two second magnons differs depending on the magnetic material.
  • a magnetic field capable of realizing a three-magnon interaction is determined based on at least one of an exchange interaction constant, a saturation magnetization, a film thickness, and a magnetic anisotropy constant, and the first magnon and two second A strong 3-magnon interaction can be realized with magnon.
  • the information generation device may perform measurement by applying a third AC magnetic field having the first frequency or the third frequency to the magnetic body after the information generation unit finishes applying the second AC magnetic field.
  • the apparatus may further include a magnetic field application section and an acquisition section that acquires the coherence information based on the phase of the voltage of the magnetic body to which the third alternating current magnetic field is applied.
  • the coherence information is Can be read.
  • the information generating section repeatedly applies the alternating current magnetic field
  • the measurement magnetic field applying section repeatedly applies the third alternating magnetic field in response to the application of the alternating magnetic field by the information generating section.
  • the acquisition unit may acquire the probabilistic coherence information based on the phase measured each time the third AC magnetic field is applied.
  • more appropriate coherence information can be acquired by acquiring probabilistic information.
  • the coherence information may be at least one of phase and amplitude.
  • the coherence information possessed by the first magnon can be realized by at least one of the phase and amplitude of the first magnon.
  • the thickness of the magnetic material may be 200 nanometers or more.
  • the magnitude of the magnetic field may be 25 millitesla or more and 100 millitesla or less.
  • the magnetic material it is possible to provide a magnetic field that can realize the first magnon with a long relaxation time due to the three-magnon interaction between the first magnon and two second magnons.
  • An information generation method includes applying a magnetic field to a magnetic body, and applying an alternating magnetic field to the magnetic body to which the magnetic field is applied, so that a magnetic field having coherence information is generated in the magnetic body. generating a first magnon with one frequency and a second magnon with a second frequency half the first frequency, the second magnon relaxing slower than the first magnon, and , interacts with the first magnon.
  • the second frequency is half of the first frequency
  • strong interaction for example, 3-magnon interaction
  • the unit time for annihilating the second magnon and generating the first magnon is You can increase the amount of hits.
  • the relaxation of the second magnon is slow, the rate of decrease in the number of occupied second magnons, which is the source of the reaction that generates the first magnon, can be slowed down, so the reaction can be maintained for a long time.
  • the first magnon whose occupied number decreases rapidly due to its rapid relaxation, can be allowed to exist for a long time, so that coherence information can be made available for a long time. Therefore, the coherence time can be increased in magnetic dynamics.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an information generation device 1 according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a configuration of a generation unit 10 according to an embodiment of the present disclosure. It is a diagram showing an example of the configuration of a generating element 130 according to the present embodiment.
  • 4 is a cross-sectional view taken along line A-A' shown in FIG. 3.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of output timing of each signal according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a relaxation process of a parametrically excited magnon according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of magnon distribution in delay time according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining 3-magnon interaction.
  • FIG. 3 is a diagram showing the precession of a macroscopic magnetization vector M when an alternating magnetic field is applied to a magnetic body in a static magnetic field.
  • 10 is a diagram showing a temporal change in Mx, which is the x component of the magnetization vector shown in FIG. 9, and a temporal change in an applied alternating current magnetic field hac.
  • FIG. It is a figure which shows the energy of the mode of a zero state and a pi state.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the microscopic mechanism of magnetization relaxation.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of numerical calculation of the distribution of perpendicular magnetization components of bottom mode magnons according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of numerical calculation of the distribution of perpendicular magnetization components of bottom mode magnons according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a change in phase relaxation time depending on the magnitude of a static magnetic field H0 according to an embodiment of the present disclosure. It is a flowchart showing an example of the flow of processing by the information generation device 1 according to the present embodiment. 16 is a flowchart showing an example of the flow of the phase measurement process shown in FIG. 15.
  • 1 is a diagram showing a schematic configuration of a tomography measurement device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the relationship between a histogram and a Wigner function according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a change in magnon amplitude with respect to a delay time according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a change in the probability of occurrence of a zero state with respect to delay time according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an information generation device 1 according to an embodiment of the present disclosure.
  • the information generation device 1 according to the present embodiment includes a generation section 10, a magnetic field application section 20, a control device 30, and an alternating current magnetic field application section 40 (information generation section and measurement magnetic field application section). , a measuring device 60, switches 302, 304 and 306, and couplers 310, 312 and 314.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the configuration of the generation unit 10 according to an embodiment of the present disclosure.
  • the generation unit 10 includes a coplanar waveguide 100, an input terminal 120, an output terminal 124, and a generation element 130.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration of the generating element 130 according to the present embodiment.
  • the generating element 130 includes a magnetic element 140, a substrate 142, a ground pad 144, an output pad 146, and voids 150, 152, 154, and 156.
  • the magnetic field application unit 20 in the information generation device 1 applies a magnetic field to the magnetic element 140 included in the generation unit 10.
  • the magnetic field application unit 20 applies a static magnetic field (a steady magnetic field). Note that the magnetic field applied by the magnetic field applying section 20 is not limited to a static magnetic field.
  • the magnetic field application unit 20 is configured by, for example, various known magnets. Although the spacing between the magnetic poles of the magnet is not particularly limited, in this embodiment it is 40 mm, and an aluminum frame having a width of, for example, 40 mm is arranged between the magnetic poles.
  • the control device 30 controls the operation of the alternating current magnetic field applying section 40.
  • the control device 30 can control, for example, the timing at which the AC magnetic field application unit 40 outputs a signal, the intensity of the signal, the frequency of the signal, the phase of the signal, and the like.
  • control device 30 includes a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and the like.
  • the ROM included in the control device 30 stores information such as a control program for controlling the operation of the AC magnetic field applying section 40.
  • the CPU also executes control programs stored in the ROM and performs various processes.
  • the RAM included in the control device 30 stores data that is temporarily used during the execution of various programs.
  • the alternating current magnetic field applying section 40 applies various alternating magnetic fields to the magnetic element 140 included in the generating section 10.
  • the AC magnetic field application unit 40 includes various signal generators, outputs various signals (in this embodiment, microwave signals), and applies the AC magnetic field due to the output signals to the magnetic element 140. to be applied.
  • the alternating current magnetic field applying unit 40 applies an alternating magnetic field to the magnetic element 140 to which the static magnetic field is applied, so that the magnetic element 140 generates a magnon (first frequency f1) having coherence information in the magnetic element 140. 1 magnon) and a magnon with a second frequency f2 (second magnon).
  • first frequency f1 is, for example, a resonant frequency when the magnetization vector induced in the magnetic material included in the magnetic element 140 precesses around the direction of the static magnetic field.
  • the second frequency f2 is half of the first frequency f1, that is, f1/2.
  • the AC magnetic field application section 40 includes an initialization signal generator 42, an induced signal generator 44, a measurement signal generator 46, a read signal generator 48, and a pulse generator 50.
  • the various signal generators included in the AC magnetic field application section 40 have substantially the same configuration, and are various known signal generators that can output AC signals such as microwaves. Further, in this embodiment, it is assumed that the phases of the signals output by the initialization signal generator 42, the induced signal generator 44, the measurement signal generator 46, and the read signal generator 48 are synchronized.
  • the initialization signal generator 42 outputs a microwave signal having a first frequency f1 (angular frequency of 1 ⁇ ).
  • the signal output from the initialization signal generator 42 is transmitted to the generation unit 10 via the switch 302 and couplers 310 and 312.
  • the signal output by the initialization signal generator 42 will also be referred to as an "initialization signal.”
  • the induced signal generator 44 outputs a microwave signal having a third frequency f3 (angular frequency of 2 ⁇ ).
  • the third frequency f3 is twice the first frequency f1, that is, 2 ⁇ f1.
  • the signal output from the induced signal generator 44 is transmitted to the generation unit 10 via the switch 304 and couplers 310 and 312.
  • the signal output by the induced signal generator 44 will also be referred to as an "induced signal.”
  • the measurement signal generator 46 outputs a microwave signal having a third frequency f3.
  • the signal output from the measurement signal generator 46 is transmitted to the generation section 10 via the switch 306 and the coupler 312.
  • the signal output by the measurement signal generator 46 will also be referred to as a "measurement signal.”
  • the read signal generator 48 outputs a microwave signal having a first frequency f1.
  • the signal output from the read signal generator 48 is transmitted to the measuring device 60 via the coupler 314.
  • the signal output by the read signal generator 48 will also be referred to as a "read signal.”
  • the pulse generator 50 is one of various known signal generators that can output pulse waveform signals (hereinafter simply referred to as "pulse signals") to various switches. Specifically, the pulse generator 50 can input pulse signals to various switches to turn the switches into conductive states, or end input of pulse signals to turn the switches into open states.
  • the switch 302 becomes conductive, and the initialization signal output by the initialization signal generator 42 is transmitted to the generation unit 10. Further, when the pulse generator 50 finishes inputting the pulse signal to the switch 302, the switch 302 becomes open, and the initialization signal output by the initialization signal generator 42 is no longer transmitted to the generation unit 10.
  • the coplanar waveguide 100 in the generation unit 10 has a structure in which a conductor (copper in this embodiment) foil is formed on the surface of a plate-shaped dielectric substrate, and transmits electromagnetic waves such as microwaves. Can be transmitted.
  • the coplanar waveguide 100 is placed on an aluminum frame that is placed between the magnetic poles of the magnet that constitutes the magnetic field application section 20.
  • At least one of an initialization signal, an induced signal, and a measurement signal is input to the input terminal 120.
  • the input signal is transmitted in the direction of the arrow, and is transmitted to the generation element 130 through the coplanar waveguide 100.
  • a static magnetic field H 0 is applied to the generating element 130 in the horizontal direction in FIG. 2 by the magnetic field applying section 20. Further, an alternating magnetic field is applied to the generating element 130 in parallel to the static magnetic field H 0 in response to a signal being transmitted from the input terminal 120 .
  • the magnetic element 140 is formed on a transparent GGG (gadolinium gallium garnet) substrate 142.
  • the size of the substrate 142 is 2 mm long x 5 mm wide x 0.5 mm thick.
  • the substrate 142 is on the front side, and the magnetic element 140 is on the back side of the substrate 142.
  • the magnetic element 140 is located approximately at the center of the magnetic pole of the magnet, and the distance between the magnetic element 140 and the magnetic pole is approximately 20 mm.
  • the microwave signal input to the input terminal 120 (see FIG. 2) is transmitted in the direction of the arrow in the transmission section 102 formed between the gaps 150 and 152 formed on the surface of the coplanar waveguide 100. Ru.
  • the microwave When the signal reaches the magnetic element 140, the microwave is irradiated to the magnetic element 140, and an alternating current magnetic field is applied to the magnetic element 140.
  • the alternating current magnetic fields due to the initialization signal, the induced signal, and the measurement signal are also referred to as an initialization alternating magnetic field (first alternating current magnetic field), an induced alternating current magnetic field (second alternating current magnetic field), and a measuring alternating current magnetic field (third alternating current magnetic field), respectively.
  • the magnetic element 140 is an element containing a magnetic material.
  • the magnetic element 140 described in this embodiment may also be referred to as a magnetic dot.
  • the magnetic element 140 includes a layer of magnetic material and another metal layer formed on the layer.
  • the magnetic element 140 has a structure in which a Pt (platinum) layer is formed on a YIG (Yttrium Iron Garnet) layer, which is a ferrimagnetic material.
  • the Pt layer may be formed, for example, by sputtering Pt onto the clean surface of the YIG layer.
  • the diameter of the magnetic element 140 is not particularly limited, but may be, for example, 200 micrometers.
  • the thickness of the YIG layer needs to be smaller than the order of the diameter of the magnetic element 140 (for example, 200 micrometers) in order to utilize a demagnetizing field, which will be described later, and may be, for example, 370 nanometers.
  • the shape of the magnetic element 140 is described as being disk-shaped, but the shape of the magnetic element 140 is not limited to this, and may be, for example, a rectangular parallelepiped.
  • the magnetic material included in the magnetic element 140 will be described as being YIG, but it is not limited to this, and may be other ferrimagnetic materials, various ferromagnetic materials, etc. It may be. Further, in this embodiment, the magnetic element 140 is described as operating at room temperature, but the magnetic element 140 can operate as long as the temperature is lower than the Curie point of the magnetic material. Further, the magnetic material included in the magnetic material element 140 preferably has a lower Gilbert's damping constant (described later).
  • the ground plane of the coplanar waveguide 100 is electrically connected to one end of the magnetic element 140.
  • the output terminal 124 (see FIG. 2) is electrically connected to the other end of the magnetic element 140.
  • the voltage signal between the ground plane and the output terminal 124 is transmitted to the measuring device 60 via the coupler 314 (see FIG. 1) and measured as the voltage of the magnetic element 140 in the measuring device 60.
  • a ground pad 144 and an output pad 146 are formed on the left and right sides of the magnetic element 140, respectively, extending to the left and right sides.
  • the ground pad 144 and the output pad 146 are each formed by sputtering gold onto the left and right surfaces of the Pt layer of the magnetic element 140.
  • the thickness of the ground pad 144 and the output pad 146 is not particularly limited, but may be, for example, about 100 nanometers.
  • ground pad 144 and the output pad 146 are indium crimped onto the surface of the coplanar waveguide 100.
  • the ground pad 144 is electrically connected to the ground plane of the coplanar waveguide 100 and is grounded.
  • the output pad 146 is electrically connected to a path formed between the gaps 154 and 156, and is electrically connected to the output terminal 124 (see FIG. 2).
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line A-A' shown in FIG. 3.
  • Coplanar waveguide 100 includes a dielectric substrate 110 and a layer of copper foil 112 formed on the bottom surface of dielectric substrate 110. Further, on the upper surface of the dielectric substrate 110, a transmission section 102 and ground planes 104 and 106 are formed.
  • the transmission section 102 is a copper foil formed between the gap 150 and the gap 152 of the coplanar waveguide 100, and transmits the signal input to the input terminal 120. Furthermore, a ground plane 104 or 106 is formed outside the transmission section 102 across the gap 150 or 152.
  • the transmission unit 102 When a signal is transmitted from the input terminal 120, the transmission unit 102 at a certain timing generates an electric field in a direction from the transmission unit 102 toward the ground planes 104 and 106 (in the direction of the solid arrow shown in FIG. 4), and a transmission A magnetic field is formed in the direction surrounding the portion 102 (in the direction of the broken line shown in FIG. 4).
  • An alternating magnetic field generated by the transmitted signal is applied to the magnetic element 140 disposed above the transmission section 102.
  • the width of the transmission section 102 is approximately the same length as the diameter of the magnetic element 140, a more uniform alternating current magnetic field is applied to the magnetic element 140.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the output timing of each signal according to an embodiment of the present disclosure. Referring to FIG. 5, a flow of applying an alternating magnetic field to the magnetic element 140 in this embodiment will be described. Below, a method of reading out the phase state of a magnetic material in the process of relaxation, called the pump-probe method, will be explained.
  • magnon refers to a quantized spin wave or magnetic excitation. Magnons are also quantum mechanical quasiparticles in the mode of magnetization precession induced by an induced alternating magnetic field.
  • Timing t 0 shown in FIG. 5 is the timing at which the previous measurement was completed.
  • application of the initializing alternating current magnetic field to the magnetic element 140 is started at timing t 1 .
  • the initializing alternating current magnetic field is applied to the magnetic element 140 during a time T 1 from timing t 1 to timing t 3 .
  • the phase of the magnon generated in the magnetic element 140 is initialized.
  • the magnons generated in the magnetic element 140 are in a magnetization precession mode (hereinafter referred to as uniform precession) in which the phase is uniform throughout the magnetic substance included in the magnetic element 140. (also called mode) is a quantum mechanical quasiparticle. Further, as will be described later, the phase state of the magnon generated in the magnetic element 140 is designated as the zero state or the ⁇ state.
  • the induced alternating current magnetic field is applied to the magnetic element 140 during a time T 3 from timing t 2 to timing t 4 . Further, during the time T 2 from timing t 2 to timing t 3 , an induced AC magnetic field is applied to the magnetic element 140 superimposed on the initialization AC magnetic field.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the relaxation process of a parametrically excited magnon according to an embodiment of the present disclosure. Note that in FIG. 6, the vertical axis indicates frequency. The horizontal axis indicates the component kz of the wave number vector of the wave in the direction of the static magnetic field when the magnon is viewed as a wave.
  • the curve C1 shows the dispersion relationship of magnons when the wave number vector of the magnon is directed in the direction of the magnetic field vector of the static magnetic field in the magnetic element 140 to which a static magnetic field is applied.
  • the magnon dispersion relationship shown by the curve C1 shows a first frequency f1, which is the maximum value when the magnitude of the magnon wave vector is zero, and the component of the wave number vector in the magnetic field direction, that is, the wave number kz, is k1 (the first value) and ⁇ k1 (second value) with a different sign from k1, the second frequency f2 is the minimum value.
  • magnon dispersion relationship changes depending on the magnitude of the static magnetic field applied to the magnetic element 140.
  • curve C1 in the magnon dispersion relationship, a condition in which the frequency of the maximum value is twice the frequency of the minimum value is defined as an octave condition.
  • magnons at the first frequency f1 are generated from photons (induced alternating current magnetic field) at the third frequency f3, that is, twice the first frequency f1.
  • the magnons at the first frequency f1 include a magnon Mg10 (first magnon) whose wave number kz is zero and a magnon Mg11 whose wave number kz is larger than zero.
  • Magnon Mg10 is a quantum mechanical quasiparticle in uniform precession mode. Magnon Mg11 disappears at a high speed due to magnon-phonon scattering, and magnon Mg20 (second magnon) having a second frequency f2, that is, half the first frequency f1, is generated.
  • Magnon Mg20 is a quantum mechanical quasiparticle in a magnetization precession mode (hereinafter also referred to as bottom mode) with a wave number kz of k1 or -k1.
  • the AC magnetic field is applied to the magnetic element 140 until time T 4 (hereinafter also referred to as "delay time”) has elapsed after the application of the induced AC magnetic field ended at timing t 4 . Not done.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of magnon distribution in delay time according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the 3-magnon interaction. Note that the view of FIG. 7 is the same as that of FIG. 6.
  • magnon-Mg20 relaxes slower than magnon-Mg10, so the decrease in the number of occupancies is suppressed.
  • magnon Mg10 relaxes at a fast rate and reduces its occupancy.
  • magnon Mg20 which has a large number of occupancies, disappears and magnon Mg10 is generated, so that the decrease in the number of occupied magnons Mg10 can be suppressed.
  • Various quantum operations can be performed in the coherence time realized in the delay time.
  • a measurement alternating magnetic field is applied to the magnetic element 140 when a delay time has elapsed.
  • the relative phase difference between the measured alternating current magnetic field and the induced alternating magnetic field is 0°.
  • the measurement device 60 includes a measurement section 62 and an acquisition section 64.
  • the measuring device 60 can acquire coherence information in the magnetic element 140 by projective measurement. Specifically, the measuring device 60 can measure the phase of the voltage generated in the magnetic element 140 and acquire coherence information possessed by the magnon Mg10 in the magnetic element 140 based on the phase of the measured voltage. Details of the coherence information will be described later.
  • the measurement unit 62 in the measurement device 60 measures the phase of the voltage of the magnetic element 140 included in the generation unit 10 and transmits the measurement result to the acquisition unit 64.
  • the measurement unit 62 may include, for example, a spectrum analyzer.
  • the measurement unit 62 measures the sum of the voltage generated in the magnetic element 140 and the voltage of the readout signal, thereby projecting a projection that reflects information on the phase and amplitude of the voltage generated in the magnetic element 140. Can perform measurements.
  • the phase of the voltage generated in the magnetic element 140 corresponds to the phase of the magnon Mg10 generated in the magnetic element 140. . Therefore, by measuring the phase of the voltage of the magnetic element 140, the phase state of the magnon Mg10 can be observed.
  • the phase of the voltage generated in the magnetic element 140 is measured every time the application of the initialization AC magnetic field, the application of the induced AC magnetic field, and the application of the measurement AC magnetic field are set. This series of processing and measurement of the voltage phase are repeatedly executed, and a specific phase state (zero state or ⁇ state, which will be described later) is observed.
  • the acquisition unit 64 acquires coherence information based on the phase of the voltage of the magnetic element 140 to which the third AC magnetic field is applied. In this embodiment, the acquisition unit 64 acquires coherence information based on the phase of the voltage of the magnetic element 140 measured by the measurement unit 62. In this embodiment, the acquisition unit 64 acquires probabilistic information about magnon Mg10 based on the phase of the voltage repeatedly measured by the measurement unit 62. More specifically, the acquisition unit 64 acquires probabilistic information about the phase of the generated magnon Mg10.
  • the measuring device 60 includes a CPU, ROM, RAM, and the like.
  • the ROM included in the measuring device 60 stores processing programs and the like for executing various processes. Further, the CPU executes processing programs stored in the ROM and performs various processes such as obtaining coherence information. Note that the RAM included in the measuring device 60 stores data that is temporarily used during the execution of various programs.
  • FIG. 9 is a diagram showing the precession of the macroscopic magnetization vector M when an alternating magnetic field is applied to a magnetic body in a static magnetic field.
  • a static magnetic field H 0 and an alternating magnetic field hac angular frequency: 2 ⁇ are applied to the magnetic body 140a included in the magnetic element 140 in the z-axis direction.
  • a mode in which the magnetization vector M precesses at an angular frequency of 1 ⁇ is induced (parametric excitation) in the magnetic body 140a.
  • the tip of the magnetization vector M precesses along the path indicated by the elliptical precession trajectory Pc1 in the direction of the arrow.
  • the elliptical precession orbit Pc1 is not a perfect circle due to the influence of the demagnetizing field due to the shape magnetic anisotropy in the perpendicular direction. This reduction in symmetry causes the zero phase or ⁇ state to become an energetically degenerate stable point.
  • FIG. 10 is a diagram showing the time change of Mx, which is the x component of the magnetization vector shown in FIG. 9, and the time change of the applied alternating current magnetic field hac. Note that in FIG. 10, the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates the strength of the magnetic field.
  • the mode induced by the alternating current magnetic field hac becomes stable in one of two modes (a zero-state mode and a ⁇ -state mode) whose phases differ from each other by ⁇ .
  • a zero-state mode a mode whose phases differ from each other by ⁇ .
  • the external magnetic field is only the static magnetic field H0
  • the 2 ⁇ alternating current magnetic field hac is applied to the magnetic material, either the zero state or the ⁇ state mode is randomly selected. mode is induced.
  • the direction of the magnetization vector M points in the z-axis direction.
  • the direction of the magnetization vector M slightly fluctuates in the xy plane. Due to this minute fluctuation of the magnetization vector, the phase of the mode induced by the application of the alternating current magnetic field hac becomes 0 or ⁇ . This corresponds to whether the precession of the magnetization vector M initially falls in the positive direction of the x-axis or in the negative direction of the x-axis.
  • FIG. 11 is a diagram showing the energy of modes in the zero state and the ⁇ state.
  • the horizontal axis represents the azimuth of the projection of the magnetization vector M onto the xy plane
  • the vertical axis represents the potential energy E.
  • the mode state When the mode state exceeds ⁇ E that exists between the zero state and the ⁇ state due to thermal energy, the mode state transitions from the zero state to the ⁇ state (or from the ⁇ state to the zero state).
  • the mode state can be initialized to the zero state or the ⁇ state by applying the initializing AC magnetic field. This controls the mode coherence information.
  • the state of the mode to be initialized is controlled to the zero state or the ⁇ state by adjusting the phase of the initializing alternating current magnetic field to 0 or ⁇ .
  • Equation (1) is called the Landau-Lifshitz-Gilbert equation.
  • ⁇ is the gyromagnetic ratio of electrons
  • H is the effective magnetic field
  • ⁇ is a dimensionless constant
  • Ms is the saturation magnetization.
  • ⁇ is called Gilbert's damping constant.
  • the first term on the right side of equation (1) represents the precession of the magnetization vector.
  • the second term on the right side of equation (1) represents the relaxation motion of the magnetization vector and is called the Gilbert relaxation term.
  • equation (1) when the number of modes is one, the precession of the macroscopic magnetization vector ends in, for example, several tens to hundreds of nanoseconds due to the action of the Gilbert relaxation term. . As a result, the state of the magnetization vector becomes a thermal equilibrium state, and the coherence information of the magnetization vector is lost.
  • magnon Mg10 disappears due to 2-magnon interaction, 4-magnon interaction, etc., and magnon with equal frequency, for example, magnon Mg11, is generated.
  • magnon Mg11 having the same frequency as magnon Mg10 gathers at the bottom while losing energy due to magnon-phonon scattering and becomes magnon Mg20.
  • magnon Mg20 is annihilated and magnon Mg10 is generated by the 3-magnon interaction IA, and the coherence information of magnon Mg10 is will be recovered. Due to this process and the slow relaxation of magnon Mg20, the coherence information of magnon Mg10 is maintained for a long time.
  • magnon Mg10 disappears in a short time, for example, several tens to hundreds of nanoseconds, and as shown in FIG. 12(D). Since it is not generated from magnon Mg20, the coherence information of magnon Mg10 is lost in a short time.
  • a static magnetic field that can satisfy the octave condition will be explained.
  • the static magnetic field H 0 applied to the magnetic element 140 by the magnetic field application unit 20 is determined by the exchange interaction constant D of the magnetic body included in the magnetic element 140, the saturation magnetization Ms, It is determined based on the film thickness t, the in-plane magnetic anisotropy field Hl, and the perpendicular magnetic anisotropy field Hu.
  • ⁇ 0 is a magnetic constant.
  • k is the magnitude of the magnon wave vector.
  • ⁇ k is the angle between the wave vector of the magnon and the magnetic field vector of the static magnetic field H 0 .
  • the film thickness t is large, for example, when the film thickness t is 1 micrometer or more, the bottom frequency of the dispersion relationship decreases, so it is possible to realize a dispersion relationship that satisfies the octave condition.
  • the octave condition it is possible to realize a distribution relationship that satisfies the following.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an example of numerical calculation of the distribution of perpendicular magnetization components of bottom mode magnons according to an embodiment of the present disclosure. As shown in FIG. 10, the numerical calculations were performed under the condition that a static magnetic field H 0 of 30 mT was applied to a magnetic dot with a diameter of 10 micrometers.
  • the film thickness t of the magnetic material included in the magnetic material element 140 is preferably 200 nanometers or more. Further, when the film thickness t is large, the octave condition can be easily satisfied without considering the effect of the end portions. Specifically, the film thickness t is more preferably 1 micrometer or more.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an example of a change in phase relaxation time depending on the magnitude of the static magnetic field H 0 according to an embodiment of the present disclosure. Note that in FIG. 14, the vertical axis represents the phase relaxation time, and the horizontal axis represents the magnitude of the static magnetic field H 0 .
  • the phase relaxation time is the time until g(t) defined by the following equation (3) becomes smaller than a predetermined value, for example, 0.03.
  • P0( ⁇ , t) is the probability that a zero state will appear when the delay time is t when the difference between the phase of the measurement signal and the phase of the induced signal is ⁇ . That is, g(t) is a function that evaluates whether the probability of a zero state appearing is reversed when ⁇ is shifted by ⁇ when P0( ⁇ , t) deviates from 0.5.
  • the magnitude of the static magnetic field H 0 is preferably 25 millitesla or more, which increases the phase relaxation time.
  • equation (2) holds true when the magnetization vector M points in the direction of the magnetic field vector of the static magnetic field H 0 , but when the magnitude of the static magnetic field H 0 is smaller than 25 millitesla. , a portion occurs where the magnetization vector M does not point in the direction of the magnetic field vector of the static magnetic field H 0 . In such a portion, the octave condition is not satisfied, so the phase relaxation time is short.
  • the phase relaxation time becomes short when the magnitude of the static magnetic field H 0 exceeds 75 millitesla, but when the thickness of the magnetic material is thick, The phase relaxation time becomes longer when the magnitude of the static magnetic field H 0 reaches 100 millitesla. Therefore, the magnitude of the static magnetic field H 0 is preferably 25 millitesla or more and 100 millitesla or less.
  • FIG. 15 is a flowchart showing an example of the flow of processing by the information generation device 1 according to the present embodiment.
  • processing by the information generation device 1 according to this embodiment will be explained along the flowchart shown in FIG. 15. It is assumed that the static magnetic field H 0 is applied to the magnetic element 140 by the magnetic field applying unit 20 while the process shown in FIG. 15 is being executed.
  • control device 30 of the information generation device 1 resets the count to 0 (step S101).
  • the information generation device 1 executes phase measurement processing (step S103). More specifically, as described with reference to FIG. At times, the phase of the voltage generated in the magnetic element 140 is measured. Details of the phase measurement process will be described later with reference to FIG. 16.
  • control device 30 increments the count by 1 (step S105).
  • step S107 determines whether to change the delay time. For example, if the count has reached a predetermined value (for example, 100), the control device 30 may determine to change the delay time. On the other hand, if the count has not reached the predetermined value, the control device 30 may determine not to change the delay time. If the determination in step S107 is NO, the process returns to step S103. On the other hand, if the determination in step S107 is YES, the process proceeds to step S109.
  • a predetermined value for example, 100
  • the control device 30 may determine to change the delay time.
  • the control device 30 may determine not to change the delay time. If the determination in step S107 is NO, the process returns to step S103. On the other hand, if the determination in step S107 is YES, the process proceeds to step S109.
  • step S109 the control device 30 changes the delay time (step S109). For example, the control device 30 may lengthen the delay time by a predetermined amount of time.
  • step S111 determines whether to continue measurement. For example, if the delay time has reached a predetermined target time, the control device 30 may determine not to continue measurement. On the other hand, if the delay time has not reached the predetermined target time, the control device 30 may determine to continue measurement. If the determination in step S111 is NO, the process advances to step S115. On the other hand, if the determination in step S111 is YES, the process advances to step S113.
  • step S111 the control device 30 resets the count to zero (step S113).
  • step S111 the determination in step S111 is NO, the acquisition unit 64 of the measuring device 60 acquires information on the phase of the mode (step S115).
  • the acquisition unit 64 may acquire probabilistic information about the phase of the mode for each delay time based on the phase of the voltage measured so far.
  • FIG. 16 is a flowchart showing an example of the flow of the phase measurement process shown in FIG. 15. The flow of the phase measurement process will be described below along the flowchart shown in FIG.
  • the information generation device 1 applies an initializing alternating current magnetic field to the magnetic element 140 (step S201). Specifically, pulse generator 50 outputs a pulse signal to switch 302. As a result, the switch 302 becomes conductive, an initialization signal is transmitted to the generation unit 10 via the switch 302, and an initialization alternating current magnetic field is applied to the magnetic element 140 included in the generation unit 10.
  • the information generation device 1 applies an induced AC magnetic field to the magnetic element 140 superimposed on the initialization AC magnetic field (Step S203).
  • pulse generator 50 outputs a pulse signal to switch 304.
  • the switch 304 becomes conductive, the induced signal is transmitted to the generation unit 10 via the switch 304, and an induced AC magnetic field is applied to the magnetic element 140 included in the generation unit 10.
  • the information generation device 1 ends the application of the initialization alternating current magnetic field (step S205). Specifically, pulse generator 50 finishes outputting the pulse signal to switch 302. Next, the information generation device 1 ends the application of the induced alternating magnetic field (step S207). Specifically, pulse generator 50 finishes outputting the pulse signal to switch 304.
  • the information generation device 1 applies a measurement AC magnetic field to the magnetic element 140 (step S209).
  • pulse generator 50 outputs a pulse signal to switch 306.
  • the measurement signal is transmitted to the generation unit 10 via the switch 306, and the measurement AC magnetic field is applied to the magnetic element 140 included in the generation unit 10.
  • the measuring device 60 of the information generating device 1 measures the phase of the voltage of the magnetic element 140 (step S211). Specifically, the measurement unit 62 measures the phase of the voltage of the magnetic element 140 based on the voltage of the magnetic element 140 and the read signal. Information on the measured voltage is transmitted to the acquisition unit 64.
  • the information generation device 1 ends the application of the induced alternating magnetic field (step S213). Specifically, pulse generator 50 finishes outputting the pulse signal to switch 306. When the application of the induced alternating magnetic field ends, the phase measurement process shown in FIG. 12 ends.
  • the induced alternating magnetic field is applied superimposed on the initializing alternating magnetic field, but even if the initializing alternating magnetic field is not applied, the induced alternating magnetic field with an angular frequency of 2 ⁇ can be applied to the magnetic element. 140, a mode with an angular frequency of 1 ⁇ can be induced. In this case, either the zero state or the ⁇ state is randomly selected and induced. In this embodiment, the phase of the induced mode is selected by applying an initializing alternating current magnetic field.
  • FIG. 17 is a diagram showing a schematic configuration of a tomography measurement device according to an embodiment of the present disclosure. Below, a method of experimentally measuring the phase and amplitude of a magnetization vector called the magnon tomography method will be explained.
  • the tomography measurement device 2 includes a generation section 10, a magnetic field application section 20, an excitation signal generator 71, reference signal generators 72 and 73, and a switcher 74. , a mixer 75, a phase shifter 76, a bandpass filter 77, a lock-in amplifier 78, a gate processing circuit 79, and a processing device 80.
  • the generation unit 10 and the magnetic field application unit 20 are respectively similar to those shown in FIG.
  • the excitation signal generator 71 is a signal source for parametrically exciting the magnetic element 140, generates an excitation signal S71 having a third frequency f3, and outputs it to the generation unit 10 via the switcher 74.
  • the switcher 74 intermittents the excitation signal S71 received from the excitation signal generator 71, and converts the shape of the excitation signal S71 into a pulse shape with a time width and a pulse interval of 15 microseconds and 6 microseconds, respectively.
  • the time width, pulse interval, and pulse generation timing are controlled by the processing device 80.
  • the reference signal generator 72 outputs a reference signal S72 having a frequency obtained by adding the frequency ⁇ to the first frequency f1, that is, f1+ ⁇ , to the mixer 75 via the phase shifter 76.
  • ⁇ is, for example, several hundred megahertz.
  • the phase shifter 76 shifts the phase of the reference signal S72 received from the reference signal generator 72 by an angle ⁇ and outputs it to the mixer 75.
  • the angle ⁇ is controlled by the processing device 80.
  • the mixer 75 modulates the signal of the first frequency f1 generated in the magnetic element 140 based on the magnon Mg10 generated in the magnetic element 140 by the irradiation of the excitation signal S71 with the reference signal S72.
  • the mixer 75 then generates a signal having a frequency that is the sum of the frequency of f1 and the frequency of f1+ ⁇ (hereinafter also referred to as a sum frequency signal), and a signal having a frequency that is the difference between the frequency of f1 and the frequency of f1+ ⁇ (hereinafter also referred to as a sum frequency signal). , also referred to as a difference frequency signal).
  • Mixer 75 outputs the generated sum frequency signal and difference frequency signal to lock-in amplifier 78 via band pass filter 77 .
  • the bandpass filter 77 receives the sum frequency signal and the difference frequency signal from the mixer 75, attenuates the sum frequency signal, and mainly outputs the difference frequency signal to the lock-in amplifier 78.
  • the reference signal generator 73 outputs a reference signal S73 with a frequency ⁇ to the lock-in amplifier 78.
  • the lock-in amplifier 78 performs homodyne detection on the difference frequency signal received from the mixer 75 via the band-pass filter 77 using the reference signal S73 having a frequency ⁇ received from the reference signal S73, and converts the DC signal into a processing device via the gate processing circuit 79. Output to 80.
  • the gate processing circuit 79 passes the DC signal received from the lock-in amplifier 78 with a predetermined gate width, for example, a time width of 100 nanoseconds.
  • the delay time from the end timing of the pulse-shaped excitation signal S71 to the start timing of the gate width is controlled by the processing device 80.
  • the processing device 80 can control the excitation signal generator 71, the reference signal generators 72 and 73, the switcher 74, the phase shifter 76, and the gate processing circuit 79.
  • the processing device 80 sets the angle ⁇ of the phase shifter 76 and the delay time of the gate processing circuit 79, and measures the voltage value of the DC signal received from the lock-in amplifier 78 via the gate processing circuit 79.
  • the processing device 80 repeats this measurement, for example, several thousand times, and accumulates the voltage value of the DC signal. Then, the processing device 80 generates and stores a histogram of voltage values of the DC signal corresponding to the set angle ⁇ and delay time based on each accumulated voltage value. This histogram shows the state of the magnetization vector including fluctuations.
  • the setting of the angle ⁇ and the delay time is, for example, the angle ⁇ is set for each predetermined angle from zero to ⁇ , and the delay time is set for each predetermined time from zero to 6 microseconds.
  • the processing device 80 generates and stores a histogram for each of the above settings.
  • the processing device 80 performs Wigner function reconstruction processing based on the plurality of stored histograms.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating an example of the relationship between a histogram and a Wigner function according to an embodiment of the present disclosure.
  • the coordinate systems Sx, Sy, and Sz based on the magnetization vector have a resonance frequency, for example, the first frequency f1, with respect to the laboratory-fixed coordinate systems x, y, and z (see FIG. 9). It is a coordinate system that rotates around the z-axis. That is, when the magnetization vector rotating around the z-axis at the first frequency f1 is viewed from the coordinate systems Sx, Sy, and Sz, the magnetization vector appears to be stationary.
  • a curve obtained by projecting the Wigner function P1 located on a plane including the axes Sx and Sy onto a plane that is perpendicular to the plane and whose azimuth angle from the axis Sx is ⁇ is the marginal distribution function when the azimuth angle is ⁇ . It is MD1.
  • the histogram of the angle ⁇ measured by the processing device 80 at a certain delay time is an experimentally obtained marginal distribution function MD1 when the azimuth angle is ⁇ .
  • the Wigner function P1 of the delay time can be experimentally obtained by performing inverse Radon transformation on each histogram of the angle ⁇ from zero to ⁇ .
  • the length of the position vector V1 from the origin to the vertex of the Wigner function P1 is the magnon amplitude, which is an example of coherence information.
  • the azimuth angle ⁇ p of the position vector V1 with respect to the axis Sx is the precession phase, which is an example of coherence information.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating an example of a change in magnon amplitude with respect to delay time according to an embodiment of the present disclosure.
  • the vertical axis represents the logarithm of the value proportional to the magnon amplitude
  • the horizontal axis represents the delay time.
  • the value proportional to the magnon amplitude is specifically a value obtained by dividing the peak voltage V ISHE in the histogram by a predetermined threshold voltage V th .
  • the curve Cr indicates that when the dispersion relationship in the magnetic element 140 satisfies the octave condition, the magnetic element 140 is parametrically excited with a microwave at the third frequency f3 having a power of 15.8 dBm.
  • This is a comparative example showing changes in magnon amplitude with respect to delay time when It can be seen from the curve Cr that the magnon amplitude becomes almost zero when the delay time is about several hundred nanoseconds. This indicates that coherence information is lost within several hundred nanoseconds. In other words, the coherence time is approximately several hundred nanoseconds.
  • curve C2 shows that when the dispersion relationship in the magnetic element 140 satisfies the octave condition, the magnetic element 140 is parametrically excited with a microwave at the third frequency f3 having a power of 17.2 dBm. This shows the change in magnon amplitude with respect to delay time. It can be seen from curve C2 that there is a magnon amplitude greater than zero up to a delay time of about 4 microseconds. This indicates that coherence information is maintained for up to about 4 microseconds. In other words, this shows that the coherence time could be increased to about 4 microseconds.
  • magnons Mg10 and Mg20 are generated by parametric excitation.
  • the power of the microwave exceeds the first threshold, there is a threshold characteristic with respect to the power of the microwave as to whether or not the effect of the 3-magnon interaction appears. Specifically, when the power of the microwave is larger than the first threshold value and smaller than the threshold value determined based on the attenuation rate of the magnon (hereinafter also referred to as the second threshold value), 3- The effect of magnon interaction does not appear or is weak.
  • the first threshold is considered to be less than 15.8 dBm.
  • the second threshold is considered to be between 15.8 dBm and 17.2 dBm.
  • magnons Mg10 and Mg20 when the power of the microwave is larger than the first threshold value and smaller than the second threshold value, the number of generated magnons Mg10 and Mg20 is small; The decay of magnons becomes more dominant than the generation of magnons Mg10 and Mg20. Therefore, the effect of the 3-magnon interaction between magnons Mg10 and Mg20 does not appear or becomes weak, and magnons Mg10 disappear in about several hundred nanoseconds.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating an example of a change in the probability of occurrence of a zero state with respect to delay time according to an embodiment of the present disclosure. Note that in FIG. 20, the vertical axis indicates the probability of occurrence of a zero state, and the horizontal axis indicates delay time.
  • the measurement data D3 indicates a change in the probability of appearance of a zero state with respect to the delay time when parametrically excited
  • the measurement data Dr represents the change in the probability of zero state appearance with respect to the delay time when magnetic resonance is excited.
  • the measurement data Dr is data of a comparative example, and indicates a change in the probability of occurrence of a zero state with respect to delay time, which was obtained based on the results of repeated measurements under the following measurement conditions.
  • the above measurement conditions are such that the initialization AC magnetic field (see FIG. 5) is not applied, the induced AC magnetic field of the first frequency f1 is applied, the delay time is waited, and the measurement AC magnetic field of the third frequency f3 is applied. This means that the phase of the voltage generated in the magnetic element 140 is repeatedly measured.
  • the probability of occurrence of a zero state is close to 1 from zero to about 100 nanoseconds, but after 100 nanoseconds, the probability of occurrence of a zero state is about 0.5. That is, the thermal fluctuation of the magnetization vector is reflected in the measurement data Dr after 100 nanoseconds. This indicates that the precession of the magnetization vector was relaxed in about 100 nanoseconds, and that after 100 nanoseconds, the magnetization vector turned in the direction of the static magnetic field and entered a state of thermal fluctuation. There is.
  • measurement data D3 indicates a change in the probability of occurrence of a zero state with respect to delay time, which is obtained based on the results of repeated measurements under the following measurement conditions.
  • the above measurement conditions are such that the initialization AC magnetic field (see FIG. 5) is not applied, the induced AC magnetic field of the third frequency f3 is applied, the delay time is waited, and the measurement AC magnetic field of the third frequency f3 is applied. This means that the phase of the voltage generated in the magnetic element 140 is repeatedly measured.
  • the probability of occurrence of the zero state which oscillates while attenuating around 0.5, remains for about 4 microseconds. This indicates that the coherence time could be increased to about 4 microseconds by sufficiently generating bottom mode magnon Mg20.
  • the static magnetic field H 0 is determined based on the exchange interaction constant, saturation magnetization, film thickness, and magnetic anisotropy constant of the magnetic material included in the magnetic material element 140. It is not limited to this.
  • the static magnetic field H 0 may be determined based on at least one of the exchange interaction constant, saturation magnetization, film thickness, and magnetic anisotropy constant of the magnetic material.
  • the frequency of the measurement AC magnetic field is the frequency of the induced AC magnetic field, that is, the third frequency f3, but the present invention is not limited to this.
  • the frequency of the measurement AC magnetic field may be the frequency of the initialization AC magnetic field, that is, the first frequency f1.
  • the coherence information may be a magnon amplitude, or may be both a magnon amplitude and a precession phase.
  • the magnetic body 140a is described as having a solid disk shape, but the present invention is not limited to this.
  • the magnetic body 140a may have other configurations or shapes.
  • the magnetic material 140a may be in the form of a paste or in the form of a liquid.

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Abstract

情報生成装置は、磁性体と、前記磁性体に磁場を印加する磁場印加部と、前記磁場が印加されている前記磁性体に交流磁場を印加して、前記磁性体において、コヒーレンス情報を有する第１周波数の第１マグノンと、前記第１周波数の半分の第２周波数の第２マグノンと、を生成させる情報生成部と、を備え、前記第２マグノンは、前記第１マグノンよりも緩和が遅く、かつ、前記第１マグノンと相互作用をする。

Description

情報生成装置及び情報生成方法 関連出願の相互参照
　本出願は、２０２２年７月２１日に出願された日本特許出願番号２０２２－１１６７３７号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
　本開示は、情報生成装置及び情報生成方法に関する。
　従来、物質の量子効果を利用した量子コンピュータの開発が進められている。例えば、特許文献１には、超電導材料を用いた量子ビットにより構成される量子コンピュータが記載されている。
特表２００７－５０４６５５号公報
　超電導材料を利用した量子コンピュータでは、超電導材料等を収容できる冷却装置が用いられるが、冷却装置内の空間には限りがある。一方で、磁性体中の磁性のダイナミクスを利用して、室温において動作可能なコンピュータを実現すれば、空間に制限がないため大規模なコンピュータを構築することができると考えられる。
　しかしながら、磁性体中の巨視的な磁気モーメントの歳差運動は、数十～数百ナノ秒程度の緩和時間で減衰することが知られている。この緩和時間は、超電導材料を利用した量子コンピュータの最大数百マイクロ秒のコヒーレンス時間より短い。このため、実行可能な計算アルゴリズムに制限がある。
　そこで、本開示は、磁性のダイナミクスにおいて、コヒーレンス時間を長くすることが可能な情報生成装置及び情報生成方法を提供することを目的とする。
　本発明の一態様に係る情報生成装置は、磁性体と、前記磁性体に磁場を印加する磁場印加部と、前記磁場が印加されている前記磁性体に交流磁場を印加して、前記磁性体において、コヒーレンス情報を有する第１周波数の第１マグノンと、前記第１周波数の半分の第２周波数の第２マグノンと、を生成させる情報生成部と、を備え、前記第２マグノンは、前記第１マグノンよりも緩和が遅く、かつ、前記第１マグノンと相互作用をする。
　この態様によれば、第２周波数が第１周波数の半分であるため、強い相互作用例えば３マグノン相互作用を利用することができるので、第２マグノンを消滅させて第１マグノンを生成する単位時間当たりの量を多くすることができる。また、第２マグノンの緩和が遅いことで、第１マグノンを生成する反応の元となる第２マグノンの占有数の減少速度を遅くすることができるので、当該反応を長い時間維持することができる。これにより、緩和が速いために占有数の減少速度が速い第１マグノンを長い時間存在させることができるので、コヒーレンス情報を長い時間利用可能とすることができる。したがって、磁性のダイナミクスにおいて、コヒーレンス時間を長くすることができる。
　上記態様において、前記第１マグノンと、互いに逆向きの波数ベクトルを有する２つの前記第２マグノンとが前記相互作用をしてもよい。
　この態様によれば、第１マグノンと、２つの第２マグノンとの間においてエネルギー保存則及び運動量保存則が成り立つので、２つの第２マグノンを消滅させて１つの第１マグノンを生成する強い３マグノン相互作用を実現することができる。
　上記態様において、前記磁場が印加されている前記磁性体における前記マグノンの分散関係は、前記マグノンの波数ベクトルの大きさがゼロのときに極大値である前記第１周波数を示し、かつ、前記波数ベクトルの前記磁場方向の成分が第１値及び前記第１値と異なる符号の第２値のときに極小値である前記第２周波数を示してもよい。
　分散関係において、２つの極小値が緩和チャネルの少ない２つの底となり、当該２つの底の周波数が第２周波数であることで、２つの第２マグノンの緩和が遅い構成が実現される。この態様によれば、励起状態から緩和するマグノンは当該２つの底に蓄積されるので、多くの第２マグノンを長い時間存在させることができる。
　上記態様において、前記交流磁場は、前記第１周波数を有する第１交流磁場と、前記第１周波数の２倍の第３周波数を有する第２交流磁場と、を含み、前記情報生成部は、前記第１交流磁場を前記磁性体に印加し、前記第１交流磁場を前記磁性体に印加している間に、前記第２交流磁場を前記磁性体に印加してもよい。
　第１交流磁場を磁性体に印加しなければ、第１マグノンの位相に熱揺らぎが反映され、コヒーレンス情報の内容が安定しないところ、この態様によれば、第１交流磁場を磁性体に印加することによって第１マグノンの位相を制御し、コヒーレンス情報の内容を安定にすることができる。また、第１交流磁場を磁性体に印加している間に、第２交流磁場を当該磁性体に印加することにより、パラメトリック励起した第１周波数の第１マグノン、及び第１マグノンの緩和によって蓄積した第２周波数の第２マグノンのコヒーレンス情報を制御することができる。
　上記態様において、前記磁場は、前記磁性体の交換相互作用定数、飽和磁化、膜厚及び磁気異方性定数の少なくとも１つに基づいて定められてもよい。
　第１マグノンと、２つの第２マグノンとの間における３マグノン相互作用を実現可能な磁場は、磁性体ごとに異なる。この態様によれば、３マグノン相互作用を実現可能な磁場を交換相互作用定数、飽和磁化、膜厚及び磁気異方性定数の少なくとも１つに基づいて定め、第１マグノンと、２つの第２マグノンとの間において強い３マグノン相互作用を実現することができる。
　上記態様において、前記情報生成装置は、前記情報生成部による前記第２交流磁場の印加が終了した後に、前記第１周波数又は前記第３周波数を有する第３交流磁場を前記磁性体に印加する測定磁場印加部と、前記第３交流磁場が印加されている前記磁性体の電圧の位相に基づいて、前記コヒーレンス情報を取得する取得部と、をさらに備えてもよい。
　この態様によれば、例えば、情報生成部による第２交流磁場の印加が終了した後に、長い時間存在する第１マグノンの有するコヒーレンス情報に対して演算処理が行われた場合において、当該コヒーレンス情報を読み出すことができる。つまり、量子コンピュータの演算結果の読み出し機能を実現することができる。
　上記態様において、前記情報生成部は、前記交流磁場の印加を繰り返し実行し、前記測定磁場印加部は、前記情報生成部による前記交流磁場の印加に応じて前記第３交流磁場の印加を繰り返し実行し、前記取得部は、前記第３交流磁場が印加される度に測定される前記位相に基づいて、確率的な前記コヒーレンス情報を取得してもよい。
　この態様によれば、確率的な情報を取得することにより、より適切なコヒーレンス情報を取得することができる。
　上記態様において、前記コヒーレンス情報は、位相及び振幅の少なくとも一方であってもよい。
　この態様によれば、第１マグノンの有するコヒーレンス情報を、第１マグノンの位相及び振幅の少なくとも一方によって実現することができる。
　上記態様において、前記磁性体の厚さは、２００ナノメートル以上であってもよい。
　この態様によれば、磁性体において、第１マグノンと、２つの第２マグノンとの間における３マグノン相互作用を実現可能な磁場を提供することができる。
　上記態様において、前記磁場の大きさは、２５ミリテスラ以上１００ミリテスラ以下であってもよい。
　この態様によれば、磁性体において、第１マグノンと、２つの第２マグノンとの間における３マグノン相互作用によって、緩和時間の長い第１マグノンを実現可能な磁場を提供することができる。
　本発明の他の態様に係る情報生成方法は、磁性体に磁場を印加することと、前記磁場が印加されている磁性体に交流磁場を印加して、前記磁性体において、コヒーレンス情報を有する第１周波数の第１マグノンと、前記第１周波数の半分の第２周波数の第２マグノンと、を生成させることと、を含み、前記第２マグノンは、前記第１マグノンよりも緩和が遅く、かつ、前記第１マグノンと相互作用をする。
　この態様によれば、第２周波数が第１周波数の半分であるため、強い相互作用例えば３マグノン相互作用を利用することができるので、第２マグノンを消滅させて第１マグノンを生成する単位時間当たりの量を多くすることができる。また、第２マグノンの緩和が遅いことで、第１マグノンを生成する反応の元となる第２マグノンの占有数の減少速度を遅くすることができるので、当該反応を長い時間維持することができる。これにより、緩和が速いために占有数の減少速度が速い第１マグノンを長い時間存在させることができるので、コヒーレンス情報を長い時間利用可能とすることができる。したがって、磁性のダイナミクスにおいて、コヒーレンス時間を長くすることができる。
　本開示によれば、磁性のダイナミクスにおいて、コヒーレンス時間を長くすることが可能な情報生成装置及び情報生成方法を提供することができる。
本開示の一実施形態に係る情報生成装置１の構成を示す図である。 本開示の一実施形態に係る生成部１０の構成の一例を示す図である。 本実施形態に係る生成素子１３０の構成の一例を示す図である。 図３に示すＡ－Ａ’の断面図である。 本開示の一実施形態に係る各信号の出力タイミングの一例を示す図である。 本開示の一実施形態に係るパラメトリック励起されたマグノンの緩和の過程の一例を示す図である。 本開示の一実施形態に係る遅延時間におけるマグノンの分布の一例を示す図である。 ３－マグノン相互作用を説明するための図である。 静磁場中の磁性体に交流磁場が印加されたときにおける巨視的な磁化ベクトルＭの歳差運動を示す図である。 図９に示す磁化ベクトルのｘ成分であるＭｘの時間変化と、印加されている交流磁場ｈａｃの時間変化とを示す図である。 ゼロ状態及びπ状態のモードのエネルギーを示す図である。 磁化緩和の微視的機構を説明するための図である。 本開示の一実施形態に係るボトムモードのマグノンの面直磁化成分の分布の数値計算の一例を示す図である。 本開示の一実施形態に係る位相緩和時間の静磁場Ｈ０の大きさによる変化の一例を示す図である。 本実施形態に係る情報生成装置１による処理の流れの一例を示すフローチャートである。 図１５に示す位相測定処理の流れの一例を示すフローチャートである。 本開示の一実施形態に係るトモグラフィ測定装置の概略構成を示す図である。 本開示の一実施形態に係るヒストグラムとウィグナー関数との関係の一例を示す図である。 本開示の一実施形態に係るマグノン振幅のディレイ時間に対する変化の一例を示す図である。 本開示の一実施形態に係るゼロ状態の出現確率の遅延時間に対する変化の一例を示す図である。
　添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。
　図１は、本開示の一実施形態に係る情報生成装置１の構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態に係る情報生成装置１は、生成部１０と、磁場印加部２０と、制御装置３０と、交流磁場印加部４０（情報生成部及び測定磁場印加部）と、測定装置６０と、スイッチ３０２、３０４及び３０６と、カプラ３１０、３１２及び３１４と、を備える。
　図２は、本開示の一実施形態に係る生成部１０の構成の一例を示す図である。図２に示すように、生成部１０は、コプレーナウェーブガイド１００と、入力端子１２０と、出力端子１２４と、生成素子１３０と、を含む。
　図３は、本実施形態に係る生成素子１３０の構成の一例を示す図である。図３に示すように、生成素子１３０は、磁性体素子１４０と、基板１４２と、グラウンドパッド１４４と、出力パッド１４６と、空隙部１５０、１５２、１５４及び１５６と、を含む。
　図１～図３に示すように、情報生成装置１における磁場印加部２０は、生成部１０に含まれる磁性体素子１４０に磁場を印加する。本実施形態では、磁場印加部２０は、静磁場（定常磁場）を印加する。なお、磁場印加部２０が印加する磁場は静磁場に限定されるものではない。
　磁場印加部２０は、例えば各種の公知のマグネットにより構成される。マグネットの磁極の間隔は特に限定されないが、本実施形態では４０ミリメートルであり、磁極の間には、幅が例えば４０ミリメートルのアルミフレームが配置されている。
　制御装置３０は、交流磁場印加部４０の動作を制御する。制御装置３０は、例えば、交流磁場印加部４０が信号を出力するタイミング、信号の強度、信号の周波数及び信号の位相等を制御できる。
　また、制御装置３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等を備える。制御装置３０が備えるＲＯＭには、交流磁場印加部４０の動作を制御するための制御プログラム等の情報が記憶される。
　また、ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラム等を実行し、各種の処理を実行する。なお、制御装置３０が備えるＲＡＭには、各種プログラムの実行中に一時的に利用されるデータが記憶される。
　交流磁場印加部４０は、各種の交流磁場を生成部１０に含まれる磁性体素子１４０に印加する。具体的には、交流磁場印加部４０は、各種の信号発生器を備え、各種の信号（本実施形態では、マイクロ波の信号）を出力して、出力した信号による交流磁場を磁性体素子１４０に印加する。
　交流磁場印加部４０は、静磁場が印加されている磁性体素子１４０に交流磁場を印加して、磁性体素子１４０において、磁性体素子１４０において、コヒーレンス情報を有する第１周波数ｆ１のマグノン（第１マグノン）と、第２周波数ｆ２のマグノン（第２マグノン）と、を生成させる。ここで、第１周波数ｆ１は、例えば、磁性体素子１４０に含まれる磁性体に誘起された磁化ベクトルが、静磁場の方向を中心に歳差運動するときの共鳴周波数である。また、第２周波数ｆ２は、第１周波数ｆ１の半分すなわちｆ１／２である。
　詳細には、交流磁場印加部４０は、初期化信号発生器４２と、誘起信号発生器４４と、測定信号発生器４６と、読み出し信号発生器４８と、パルス発生器５０と、を含む。
　交流磁場印加部４０が備える各種の信号発生器は、実質的に同一の構成を有しており、マイクロ波等の交流信号を出力できる各種の公知の信号発生器である。また、本実施形態では、初期化信号発生器４２、誘起信号発生器４４、測定信号発生器４６及び読み出し信号発生器４８により出力される信号の位相は、同期されているものとする。
　初期化信号発生器４２は、第１周波数ｆ１（１ωの角周波数）を有するマイクロ波の信号を出力する。初期化信号発生器４２から出力された信号は、スイッチ３０２並びにカプラ３１０及び３１２を介して生成部１０に伝送される。以下では、初期化信号発生器４２が出力した信号を「初期化信号」とも称する。
　誘起信号発生器４４は、第３周波数ｆ３（２ωの角周波数）を有するマイクロ波の信号を出力する。ここで、第３周波数ｆ３は、第１周波数ｆ１の２倍すなわち２×ｆ１である。誘起信号発生器４４から出力された信号は、スイッチ３０４並びにカプラ３１０及び３１２を介して生成部１０に伝送される。以下では、誘起信号発生器４４が出力した信号を「誘起信号」とも称する。
　測定信号発生器４６は、第３周波数ｆ３を有するマイクロ波の信号を出力する。測定信号発生器４６から出力された信号は、スイッチ３０６及びカプラ３１２を介して生成部１０に伝送される。以下では、測定信号発生器４６が出力した信号を「測定信号」とも称する。
　読み出し信号発生器４８は、第１周波数ｆ１を有するマイクロ波の信号を出力する。読み出し信号発生器４８から出力された信号は、カプラ３１４を介して、測定装置６０に伝送される。以下では、読み出し信号発生器４８が出力した信号を「読み出し信号」とも称する。
　パルス発生器５０は、各種のスイッチにパルス波形の信号（以下、単に「パルス信号」と称する。）を出力できる各種の公知の信号発生器である。具体的には、パルス発生器５０は、各種のスイッチにパルス信号を入力してスイッチの状態を導通状態にしたり、パルス信号の入力を終了してスイッチの状態を開放状態にしたりできる。
　例えば、パルス発生器５０がスイッチ３０２にパルス信号を入力すると、スイッチ３０２の状態が導通状態となり、初期化信号発生器４２により出力された初期化信号が生成部１０に伝送されるようになる。また、パルス発生器５０がスイッチ３０２へのパルス信号の入力を終了すると、スイッチ３０２が開放状態となり、初期化信号発生器４２により出力された初期化信号が生成部１０に伝送されなくなる。
　図２に示すように、生成部１０におけるコプレーナウェーブガイド１００は、板状の誘電体基板の表面に導体（本実施形態では銅）の箔を形成した構造を有し、マイクロ波等の電磁波を伝送できる。本実施形態では、コプレーナウェーブガイド１００は、磁場印加部２０を構成するマグネットの磁極の間に配置されたアルミフレームの上に配置されている。
　入力端子１２０には、初期化信号、誘起信号及び測定信号の少なくともいずれかの信号が入力される。入力端子１２０では、入力された信号は、矢印の方向に伝送され、コプレーナウェーブガイド１００を通じて生成素子１３０に伝送される。
　生成素子１３０には、磁場印加部２０により静磁場Ｈ0が図２の横方向に印加される。また、生成素子１３０には、入力端子１２０から信号が伝送されたことに応じて、交流磁場が静磁場Ｈ0に対して平行に印加される。
　図３に示すように、磁性体素子１４０は、透明なＧＧＧ（ガドリニウムガリウムガーネット）の基板１４２の上に形成されている。基板１４２のサイズは、本実施形態では、縦２ミリメートル×横５ミリメートル×厚さ０．５ミリメートルのサイズである。図３では、基板１４２が手前にあり、磁性体素子１４０は、基板１４２の奥側にある。また、本実施形態では、磁性体素子１４０は、マグネットの磁極のおよそ中心に位置しており、磁性体素子１４０と磁極との間の距離はおよそ２０ミリメートル程度となっている。
　入力端子１２０（図２参照）に入力されたマイクロ波の信号は、コプレーナウェーブガイド１００の表面に形成された空隙部１５０及び１５２の間に形成された伝送部１０２において、矢印の方向に伝送される。
　信号が磁性体素子１４０に到達すると、マイクロ波が磁性体素子１４０に照射され、磁性体素子１４０に交流磁場が印加される。以下では、初期化信号、誘起信号及び測定信号による交流磁場をそれぞれ初期化交流磁場（第１交流磁場）、誘起交流磁場（第２交流磁場）及び測定交流磁場（第３交流磁場）とも称する。
　磁性体素子１４０は、磁性体を含む素子である。本実施形態において説明する磁性体素子１４０は、磁性体ドットと称される場合もある。本実施形態では、磁性体素子１４０は、磁性体の層と、その層の上に形成された他の金属層と、を含む。
　具体的には、磁性体素子１４０は、フェリ磁性体であるＹＩＧ（Yttrium Iron Garnet）層の上にＰｔ（プラチナ）層が形成された構造を有している。Ｐｔ層は、例えば、ＹＩＧ層の清浄な表面にＰｔがスパッタされることにより形成されてよい。
　また、磁性体素子１４０の直径は、特に限定されないが、例えば２００マイクロメートルであってよい。また、ＹＩＧ層の厚さは、後述する反磁場を利用するため、磁性体素子１４０の直径の長さ（例えば、２００マイクロメートル）のオーダーより小さい必要があり、例えば３７０ナノメートルであってよい。また、Ｐｔ層が薄いほど、後述する逆スピンホール効果（Inverse Spin-Hall Effect：ＩＳＨＥ）により生じる電圧が大きくなるため、Ｐｔ層の厚さは、例えばおよそ１０ナノメートル以下であることが望ましい。また、本実施形態では、磁性体素子１４０の形状は、円盤状であるものとして説明するが、磁性体素子１４０の形状はこれに限定されるものではなく、例えば直方体等であってもよい。
　なお、本実施形態では、磁性体素子１４０に含まれる磁性体は、ＹＩＧであるものとして説明するが、これに限らず、他のフェリ磁性体であってもよいし、各種の強磁性体等であってもよい。また、本実施形態では、室温において磁性体素子１４０が動作するものとして説明するが、温度が磁性体のキュリー点より低い温度であれば、磁性体素子１４０は動作し得る。また、磁性体素子１４０に含まれる磁性体は、より低いギルバートのダンピング定数（後述する）を有することが好ましい。
　磁性体素子１４０の一端には、コプレーナウェーブガイド１００のグランドプレーンが電気的に接続されている。磁性体素子１４０のもう一端には、出力端子１２４（図２参照）が電気的に接続されている。グランドプレーン及び出力端子１２４の間の電圧の信号は、カプラ３１４（図１参照）を介して測定装置６０に伝送され、測定装置６０において磁性体素子１４０の電圧として測定される。
　詳細には、磁性体素子１４０の左右には、左側及び右側にそれぞれ伸びたグラウンドパッド１４４及び出力パッド１４６が形成されている。グラウンドパッド１４４及び出力パッド１４６のそれぞれは、磁性体素子１４０のＰｔ層の左側表面及び右側表面に金がスパッタされることにより形成されている。グラウンドパッド１４４及び出力パッド１４６の厚さは、特に限定されないが、例えば１００ナノメートル程度であってよい。
　また、グラウンドパッド１４４及び出力パッド１４６は、コプレーナウェーブガイド１００の表面にインジウム圧着されている。グラウンドパッド１４４は、コプレーナウェーブガイド１００のグランドプレーンに電気的に接続され、接地されている。一方、出力パッド１４６は、空隙部１５４及び１５６の間に形成された経路に電気的に接続されており、出力端子１２４（図２参照）に電気的に接続されている。
　図４は、図３に示すＡ－Ａ’の断面図である。コプレーナウェーブガイド１００は、誘電体基板１１０と、誘電体基板１１０の下面に形成された銅箔の層１１２とを含む。また、誘電体基板１１０の上面には、伝送部１０２並びにグランドプレーン１０４及び１０６が形成されている。
　伝送部１０２は、コプレーナウェーブガイド１００の空隙部１５０と空隙部１５２との間に形成された銅箔であり、入力端子１２０に入力された信号を伝送する。また、伝送部１０２から空隙部１５０又は１５２を挟んだ外側には、グランドプレーン１０４又は１０６が形成されている。伝送部１０２は、入力端子１２０から信号が伝送されると、あるタイミングにおいては、伝送部１０２からグランドプレーン１０４及び１０６にそれぞれ向かう方向（図４に示す実線の矢印の方向）の電界と、伝送部１０２を囲む方向（図４に示す破線の方向）の磁場と、を形成する。
　伝送部１０２の上に配置されている磁性体素子１４０には、伝送された信号による交流磁場が印加される。本実施形態では、伝送部１０２の幅は磁性体素子１４０の直径と同程度の長さであるため、より均一な交流磁場が磁性体素子１４０に印加される。
　図５は、本開示の一実施形態に係る各信号の出力タイミングの一例を示す図である。図５を参照して、本実施形態において磁性体素子１４０に交流磁場を印加する流れを説明する。以下では、ポンププローブ法という、緩和の過程にある、磁性体が有する位相状態を読み出す方法について説明する。
　本実施形態では、初期化交流磁場の印加、誘起交流磁場の印加及び測定交流磁場の印加のセットが繰り返し実行され、各セットが実行される度に磁性体素子１４０において誘起されたマグノンの位相が測定される。ここで、マグノンは、量子化されたスピン波又は磁気励起のことである。また、マグノンは、誘起交流磁場によって誘起された磁化歳差運動のモードの量子力学的な準粒子でもある。
　図５に示すタイミングｔ0は、前回の測定が終了したタイミングである。タイミングｔ0から時間が経過すると、タイミングｔ1において、磁性体素子１４０への初期化交流磁場の印加が開始される。初期化交流磁場は、タイミングｔ1からタイミングｔ3までの時間Ｔ1に磁性体素子１４０に印加される。初期化交流磁場が印加されることにより、磁性体素子１４０において生成されるマグノンの位相が初期化される。
　具体的には、後述するように、磁性体素子１４０において生成されるマグノンは、磁性体素子１４０に含まれる磁性体の全体にわたって位相が揃った磁化歳差運動のモード（以下、一様歳差モードとも称する。）の量子力学的な準粒子である。また、後述するように、磁性体素子１４０において生成されるマグノンの位相の状態がゼロ状態又はπ状態に指定される。
　初期化交流磁場が磁性体素子１４０に印加されている間には、タイミングｔ2において、誘起交流磁場の磁性体素子１４０への印加が開始される。誘起交流磁場は、タイミングｔ2からタイミングｔ4までの時間Ｔ3の間に磁性体素子１４０に印加される。また、タイミングｔ2からタイミングｔ3までの時間Ｔ2の間には、初期化交流磁場に重畳して誘起交流磁場が磁性体素子１４０に印加される。
　初期化交流磁場に重畳して誘起交流磁場が磁性体素子１４０に印加されることにより、磁性体素子１４０においてパラメトリック励起が行われ、初期化交流磁場により初期化された位相を有するマグノンが生成される。なお、本実施形態では、パラメトリック励起によりマグノンでが生成されるものとして説明するが、マグノンでを生成する方法は、パラメトリック励起に限定されるものではない。
　図６は、本開示の一実施形態に係るパラメトリック励起されたマグノンの緩和の過程の一例を示す図である。なお、図６において、縦軸は周波数を示す。横軸は、マグノンを波として見たときの当該波の波数ベクトルの静磁場方向の成分ｋｚを示す。
　図６に示すように、曲線Ｃ１は、静磁場が印加されている磁性体素子１４０において、マグノンの波数ベクトルが静磁場の磁場ベクトルの方向を向いているときのマグノンの分散関係を示す。
　曲線Ｃ１の示すマグノンの分散関係は、マグノンの波数ベクトルの大きさがゼロのときに極大値である第１周波数ｆ１を示し、かつ、波数ベクトルの磁場方向の成分すなわち波数ｋｚがｋ１（第１値）及びｋ１と異なる符号の－ｋ１（第２値）のときに極小値である第２周波数ｆ２を示す。
　ここで、マグノンの分散関係は、磁性体素子１４０に印加される静磁場の大きさによって変化する。曲線Ｃ１に示すように、マグノンの分散関係において、極大値の周波数が極小値の周波数の２倍となる条件をオクターブ条件と定義する。
　つまり、磁性体素子１４０に適切な静磁場が印加されない場合、オクターブ条件が満たされなくなる。具体的には、適切な磁場よりも強い磁場が磁性体素子１４０に印加された場合、マグノンの分散関係において、極大値の周波数が極小値の周波数の２倍より小さくなり、オクターブ条件が満たされなくなる。
　磁性体素子１４０においてパラメトリック励起が行われると、第３周波数ｆ３すなわち第１周波数ｆ１の２倍の周波数のフォトン（誘起交流磁場）から、第１周波数ｆ１の２つのマグノンが生成される。第１周波数ｆ１のマグノンには、波数ｋｚがゼロのマグノンＭｇ１０（第１マグノン）と、波数ｋｚの大きさがゼロより大きいマグノンＭｇ１１と、が含まれる。
　マグノンＭｇ１０は、一様歳差モードの量子力学的な準粒子である。マグノンＭｇ１１は、マグノン・フォノン散乱によって速い速度で消滅し、第２周波数ｆ２すなわち第１周波数ｆ１の半分の周波数のマグノンＭｇ２０（第２マグノン）が生成される。
　曲線Ｃ１の底では緩和のチャネルが少ないので、マグノンＭｇ２０の緩和は、マグノンＭｇ１０と比べて遅い。マグノンＭｇ２０は、波数ｋｚがｋ１又は－ｋ１の磁化歳差運動のモード（以下、ボトムモードとも称する。）の量子力学的な準粒子である。
　図５に示すように、誘起交流磁場の印加がタイミングｔ4において終了してから時間Ｔ4（以下では、「遅延時間」とも称する。）が経過するまで、交流磁場が磁性体素子１４０に印加されない。
　図７は、本開示の一実施形態に係る遅延時間におけるマグノンの分布の一例を示す図である。図８は、３－マグノン相互作用を説明するための図である。なお、図７の見方は、図６と同様である。
　図７及び図８に示すように、マグノンＭｇ１０と、互いに逆向きの波数ベクトルを有する２つのマグノンＭｇ２０とが３－マグノン相互作用ＩＡをする。詳細には、３－マグノン相互作用ＩＡによって、第２周波数ｆ２及び波数ｋｚ＝ｋ１を有するマグノンＭｇ２０と、第２周波数ｆ２及び波数ｋｚ＝－ｋ１を有するマグノンＭｇ２０とが消滅し、第１周波数ｆ１及び波数ベクトルｋ＝０を有するマグノンＭｇ１０が生成される。
　また、３－マグノン相互作用ＩＡによって、第１周波数ｆ１及び波数ベクトルｋ＝０を有するマグノンＭｇ１０が消滅し、第２周波数ｆ２及び波数ｋｚ＝ｋ１を有するマグノンＭｇ２０と、第２周波数ｆ２及び波数ｋｚ＝－ｋ１を有するマグノンＭｇ２０と、が生成される。
　遅延時間が始まると、マグノンＭｇ２０は、マグノンＭｇ１０より緩和が遅いため、その占有数の減少は抑制される。一方、マグノンＭｇ１０は、速い速度で緩和して、その占有数を減らす。
　しかしながら、３－マグノン相互作用ＩＡによって、占有数の多いマグノンＭｇ２０が消滅してマグノンＭｇ１０が生成されることによって、マグノンＭｇ１０の占有数の減少を抑制することができる。つまり、コヒーレンス情報を有するマグノンＭｇ１０の占有数が少なくなるまでの緩和時間を長くすることができるので、コヒーレンス時間を長くすることができる。遅延時間において実現されるコヒーレンス時間において、各種の量子演算を行うことが可能である。
　図５に示すように、誘起交流磁場の印加がタイミングｔ4において終了した後に、遅延時間が経過すると、測定交流磁場が磁性体素子１４０に印加される。本実施形態では、測定交流磁場と誘起交流磁場との間の相対的な位相差は０°であるものとする。測定交流磁場が磁性体素子１４０に印加されると、測定交流磁場に基づくパラメトリック励起によって誘起された磁化歳差、交流スピンポンピング及び逆スピンホール効果により磁性体素子１４０に電圧が生じる。磁性体素子１４０に発生した電圧の位相は、測定装置６０により測定される。
　図１に示すように、測定装置６０は、測定部６２と、取得部６４と、を含む。測定装置６０は、射影測定により磁性体素子１４０におけるコヒーレンス情報を取得できる。具体的には、測定装置６０は、磁性体素子１４０に発生した電圧の位相を測定して、測定した電圧の位相に基づいて、磁性体素子１４０におけるマグノンＭｇ１０が有するコヒーレンス情報を取得できる。コヒーレンス情報の詳細については後述する。
　測定装置６０における測定部６２は、生成部１０に含まれる磁性体素子１４０の電圧の位相を測定し、測定結果を取得部６４に伝送する。測定部６２は、例えば、スペクトルアナライザを備えてよい。本実施形態では、測定部６２は、磁性体素子１４０において生じた電圧と、読み出し信号の電圧の和を測定することにより、磁性体素子１４０において生じた電圧の位相と振幅の情報を反映した射影測定を実行できる。本実施形態では、測定信号による交流磁場が磁性体素子１４０に印加されている場合において、磁性体素子１４０に発生する電圧の位相は、磁性体素子１４０に生成されたマグノンＭｇ１０の位相に対応する。このため、磁性体素子１４０の電圧の位相を測定することにより、マグノンＭｇ１０の位相状態が観測される。
　本実施形態では、初期化交流磁場の印加、誘起交流磁場の印加及び測定交流磁場の印加のセットが行われる度に、磁性体素子１４０に生じた電圧の位相が測定される。この一連の処理及び電圧の位相の測定が繰り返し実行され、特定の位相状態（後述するゼロ状態あるいはπ状態）が観測される。
　取得部６４は、第３交流磁場が印加されている磁性体素子１４０の電圧の位相に基づいて、コヒーレンス情報を取得する。本実施形態では、取得部６４は、測定部６２が測定した磁性体素子１４０の電圧の位相に基づいてコヒーレンス情報を取得する。本実施形態では、取得部６４は、測定部６２が繰り返し測定した電圧の位相に基づいて、マグノンＭｇ１０の確率的な情報を取得する。より具体的には、取得部６４は、生成されたマグノンＭｇ１０の位相の確率的な情報を取得する。
　また、測定装置６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等を備える。測定装置６０が備えるＲＯＭには、各種の処理を実行するための処理プログラム等が記憶される。また、ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された処理プログラム等を実行し、コヒーレンスの情報の取得等の各種の処理を実行する。なお、測定装置６０が備えるＲＡＭには、各種プログラムの実行中に一時的に利用されるデータが記憶される。
　次いで、図９～図１２を参照して、本実施形態において磁性体素子１４０に静磁場及び交流磁場が印加されたときに磁性体素子１４０の内部において生じる現象について、より説明する。
　図９は、静磁場中の磁性体に交流磁場が印加されたときにおける巨視的な磁化ベクトルＭの歳差運動を示す図である。ここでは、ｚ軸方向に静磁場Ｈ0及び交流磁場ｈａｃ（角周波数：２ω）が、磁性体素子１４０に含まれる磁性体１４０ａに印加されているものとする。
　このとき、磁性体１４０ａには、磁化ベクトルＭが１ωの角周波数で歳差運動するモードが誘起（パラメトリック励起）される。誘起されたモードでは、磁化ベクトルＭの先が楕円歳差軌道Ｐｃ１で示された経路を矢印の方向に歳差運動する。楕円歳差軌道Ｐｃ１は、面直方向の形状磁気異方性による反磁場の影響で真円ではない。この対称性の低下によって、位相がゼロ又はπの状態がエネルギー的に縮退した安定点になる。
　図１０は、図９に示す磁化ベクトルのｘ成分であるＭｘの時間変化と、印加されている交流磁場ｈａｃの時間変化とを示す図である。なお、図１０では、横軸は時間を示し、縦軸は磁場の強さを示す。
　交流磁場ｈａｃにより誘起されたモードは、互いに位相がπだけ異なる２つのモード（ゼロ状態のモード及びπ状態のモード）のいずれかで安定となる。このとき、外部磁場が静磁場Ｈ0のみである場合には、２ωの交流磁場ｈａｃが磁性体に印加されると、ゼロ状態又はπ状態のモードのいずれかがランダムで選択され、選択されたモードが誘起される。
　交流磁場ｈａｃが印加されておらず、静磁場Ｈ0のみが印加されているときには、磁化ベクトルＭの方向は、ｚ軸方向を向いている。しかしながら、熱揺らぎ等により、磁化ベクトルＭの向きは微小にｘｙ平面で揺らいでいる。この微小な磁化ベクトルの揺らぎによって、交流磁場ｈａｃが印加されることにより誘起されるモードの位相は、０又はπとなる。これは、磁化ベクトルＭの歳差運動が最初にｘ軸の正の方向に倒れるか、ｘ軸の負の方向に倒れるかに対応する。
　図１１は、ゼロ状態及びπ状態のモードのエネルギーを示す図である。なお、図１１では、横軸は磁化ベクトルＭのｘｙ平面への射影の方位角を示し、縦軸はポテンシャルエネルギーＥを示す。
　熱エネルギーによりゼロ状態及びπ状態との間に存在するΔＥをモードの状態が超えることにより、モードの状態がゼロ状態からπ状態（あるいはπ状態からゼロ状態）に遷移する。本実施形態では、初期化交流磁場のエネルギーは熱揺らぎよりも大きいため、初期化交流磁場が印加されることにより、モードの状態をゼロ状態又はπ状態に初期化できる。これにより、モードのコヒーレンスの情報が制御される。例えば、初期化されるモードの状態は、初期化交流磁場の位相を０又はπに調整することにより、ゼロ状態又はπ状態に制御される。
　図９に示すように、磁場中における巨視的な磁化ベクトルＭの歳差運動は、次の式（１）によって表現されることが知られている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　式（１）は、ランダウ・リフシッツ・ギルバート方程式と呼ばれる。ここで、γは電子の磁気回転比、Ｈは有効磁場、αは無次元量の定数、Ｍｓは飽和磁化である。αは、ギルバートのダンピング定数と呼ばれる。式（１）の右辺の第１項は、磁化ベクトルの歳差運動を表している。また、式（１）の右辺の第２項は磁化ベクトルの緩和運動を表し、ギルバート緩和項と呼ばれる。
　式（１）によれば、モードの数が１つである場合には、巨視的な磁化ベクトルの歳差運動は、ギルバート緩和項の働きによって、例えば数十～数百ナノ秒程度で終了する。この結果、磁化ベクトルの状態が熱平衡状態となり、磁化ベクトルのコヒーレンス情報が失われる。
　図１２は、磁化緩和の微視的機構を説明するための図である。なお、図１２（Ａ）～（Ｄ）の各々の見方は、図６と同様である。図１２（Ａ）に示すように、波数ベクトルｋ＝０のマグノンＭｇ１０が生成された状況を考える。
　次に、図１２（Ｂ）に示すように、マグノンＭｇ１０は、２－マグノン相互作用及び４－マグノン相互作用などによって消滅し、等周波数のマグノン例えばマグノンＭｇ１１が生成される。
　次に、図１２（Ｃ）に示すように、マグノンＭｇ１０と等周波数のマグノンＭｇ１１は、マグノン・フォノン散乱によってエネルギーを失いながらボトムに集まりマグノンＭｇ２０となる。
　次に、図１２（Ｄ）に示すように、上述したオクターブ条件が満たされる場合、３－マグノン相互作用ＩＡによってマグノンＭｇ２０が消滅してマグノンＭｇ１０が生成されることにより、マグノンＭｇ１０のコヒーレンス情報が回復される。この過程と、マグノンＭｇ２０の緩和が遅いこととにより、マグノンＭｇ１０のコヒーレンス情報が長い時間維持される。
　一方、オクターブ条件が満たされない場合、生成されたマグノンＭｇ１０（図１２（Ａ）参照）は、短い時間例えば数十～数百ナノ秒程度で消滅し、かつ、図１２（Ｄ）に示すようにマグノンＭｇ２０から生成されないため、マグノンＭｇ１０のコヒーレンス情報は短い時間で失われる。以下では、オクターブ条件を満たすことが可能な静磁場について説明する。
　本実施形態に係る情報生成装置１では、磁場印加部２０によって磁性体素子１４０に印加される静磁場Ｈ0は、磁性体素子１４０に含まれる磁性体の交換相互作用定数Ｄ、飽和磁化Ｍｓ、膜厚ｔ、面内磁気異方性磁場Ｈｌ及び面直磁気異方性磁場Ｈｕに基づいて定められる。
　具体的には、無限に拡がった薄膜におけるマグノンの分散関係は、磁気異方性を考慮した場合、次の式（２）によって表現される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　である。μ０は、磁気定数である。ｋは、マグノンの波数ベクトルの大きさである。θｋは、マグノンの波数ベクトルと静磁場Ｈ0の磁場ベクトルとの間の角度である。
　膜厚ｔが大きい場合、例えば膜厚ｔが１マイクロメートル以上の場合、分散関係のボトムの周波数が下がるので、オクターブ条件を満たす分散関係を実現することが可能である。
　一方、膜厚ｔが薄い場合、例えば、本実施形態の磁性体素子１４０のように厚さが３７０ナノメートルの場合においても、式（２）では考慮されていない端部の効果によって、オクターブ条件を満たす分散関係を実現することが可能である。
　図１３は、本開示の一実施形態に係るボトムモードのマグノンの面直磁化成分の分布の数値計算の一例を示す図である。図１０に示すように、数値計算は、直径１０マイクロメートルの磁性体ドットに３０ｍＴの静磁場Ｈ0を印加した条件で行われた。
　磁性体ドットにおける静磁場Ｈ0の方向の両端部の領域Ｅｄ１及びＥｄ２においてボトムモードのマグノンが存在することが確認された。
　このように、膜厚ｔが薄い場合においても、端部の効果によってオクターブ条件を満たすことができる。具体的には、磁性体素子１４０に含まれる磁性体の膜厚ｔは２００ナノメートル以上が好ましい。また、膜厚ｔが大きい場合は、端部の効果を考慮することなくオクターブ条件を容易に満たすことができる。具体的には、膜厚ｔは１マイクロメートル以上がより好ましい。
　図１４は、本開示の一実施形態に係る位相緩和時間の静磁場Ｈ0の大きさによる変化の一例を示す図である。なお、図１４では、縦軸は、位相緩和時間を示し、横軸は、静磁場Ｈ0の大きさを示す。
　位相緩和時間は、以下の式（３）によって定義されるｇ（ｔ）が、所定値例えば０．０３より小さくなるまでの時間である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　ここで、Ｐ０（θ、ｔ）は、測定信号の位相と誘起信号の位相との差がθである場合において、遅延時間がｔのときにゼロ状態が出現する確率である。つまり、ｇ（ｔ）は、Ｐ０（θ、ｔ）が０．５からずれている場合において、θをπずらしたときにゼロ状態が出現する確率が反転しているかを評価する関数である。
　したがって、Ｐ０（θ、ｔ）がθについてサイン関数のように変化する場合、ｇ（ｔ）は、１以下でゼロより大きくなる。Ｐ０（θ、ｔ）が０．５に近づく場合、すなわち磁化ベクトルが熱揺らぎの状態に近づく場合、ｇ（ｔ）はゼロに漸近する。
　図１４に示すように、静磁場Ｈ0の大きさは、位相緩和時間が長くなる２５ミリテスラ以上が好ましい。なお、式（２）で表される分散関係の式は、磁化ベクトルＭが静磁場Ｈ0の磁場ベクトルの方向に向いたときに成り立つが、静磁場Ｈ0の大きさが２５ミリテスラより小さい場合、磁化ベクトルＭが静磁場Ｈ0の磁場ベクトルの方向に向かない部分が生ずる。このような部分では、オクターブ条件が満たされないため、位相緩和時間が短くなっている。
　また、磁性体素子１４０のように磁性体の厚さが薄い場合、静磁場Ｈ0の大きさが７５ミリテスラを超えたあたりで位相緩和時間が短くなるが、磁性体の厚さが厚い場合、静磁場Ｈ0の大きさが１００ミリテスラまで位相緩和時間が長くなる。したがって、静磁場Ｈ0の大きさは、２５ミリテスラ以上１００ミリテスラ以下が好ましい。
　図１５は、本実施形態に係る情報生成装置１による処理の流れの一例を示すフローチャートである。以下、図１５に示すフローチャートに沿って、本実施形態に係る情報生成装置１による処理を説明する。なお、図１５に示す処理が実行されている間には、磁場印加部２０により、磁性体素子１４０に静磁場Ｈ0が印加されているものとする。
　まず、情報生成装置１の制御装置３０は、カウントを０にリセットする（ステップＳ１０１）。
　次いで、情報生成装置１は、位相測定処理を実行する（ステップＳ１０３）。より具体的には、情報生成装置１は、図５を参照して説明したように、初期化交流磁場、誘起交流磁場及び測定交流磁場を磁性体素子１４０に印加し、測定交流磁場を印加したときに磁性体素子１４０に発生した電圧の位相を測定する。位相測定処理の詳細は、図１６を参照して後述する。
　次いで、制御装置３０は、カウントを１だけ加算する（ステップＳ１０５）。
　次いで、制御装置３０は、遅延時間を変更するか否かを判定する（ステップＳ１０７）。例えば、カウントが所定値（例えば、１００）に達している場合には、制御装置３０は、遅延時間を変更することを判定してよい。一方、カウントが所定値に達していない場合には、制御装置３０は、遅延時間を変更しないことを判定してよい。ステップＳ１０７においてＮＯと判定されると、ステップＳ１０３の処理に戻る。一方、ステップＳ１０７においてＹＥＳと判定されると、ステップＳ１０９の処理に進む。
　ステップＳ１０７においてＹＥＳと判定されると、制御装置３０は、遅延時間を変更する（ステップＳ１０９）。例えば、制御装置３０は、遅延時間を所定時間だけ長くしてよい。
　次いで、制御装置３０は、測定を続けるか否かを判定する（ステップＳ１１１）。例えば、遅延時間が所定の目標時間に達している場合には、制御装置３０は、測定を続けないことを判定してよい。一方、遅延時間が所定の目標時間に達していない場合には、制御装置３０は、測定を続けることを判定してよい。ステップＳ１１１においてＮＯと判定されると、ステップＳ１１５に進む。一方、ステップＳ１１１においてＹＥＳと判定されると、ステップＳ１１３に進む。
　ステップＳ１１１においてＹＥＳと判定されると、制御装置３０は、カウントをゼロにリセットする（ステップＳ１１３）。一方、ステップＳ１１１においてＮＯと判定されると、測定装置６０の取得部６４は、モードの位相の情報を取得する（ステップＳ１１５）。例えば、取得部６４は、それまでに測定された電圧の位相に基づいて、遅延時間毎のモードの位相の確率的な情報を取得してよい。取得部６４がモードの位相の情報を取得すると、図１５に示す処理は終了する。
　図１６は、図１５に示す位相測定処理の流れの一例を示すフローチャートである。以下、図１６に示すフローチャートに沿って、位相測定処理の流れを説明する。
　まず、情報生成装置１は、初期化交流磁場を磁性体素子１４０に印加する（ステップＳ２０１）。具体的には、パルス発生器５０がパルス信号をスイッチ３０２に出力する。これにより、スイッチ３０２が導通状態となり、初期化信号がスイッチ３０２を介して生成部１０に伝送され、生成部１０に含まれる磁性体素子１４０に初期化交流磁場が印加される。
　次いで、情報生成装置１は、初期化交流磁場に重畳して誘起交流磁場を磁性体素子１４０に印加する（ステップＳ２０３）。具体的には、パルス発生器５０がパルス信号をスイッチ３０４に出力する。これにより、スイッチ３０４が導通状態となり、誘起信号がスイッチ３０４を介して生成部１０に伝送され、生成部１０に含まれる磁性体素子１４０に誘起交流磁場が印加される。
　次いで、情報生成装置１は、初期化交流磁場の印加を終了する（ステップＳ２０５）。具体的には、パルス発生器５０が、スイッチ３０２へのパルス信号の出力を終了する。次いで、情報生成装置１は、誘起交流磁場の印加を終了する（ステップＳ２０７）。具体的には、パルス発生器５０が、スイッチ３０４へのパルス信号の出力を終了する。
　次いで、情報生成装置１は、測定交流磁場を磁性体素子１４０に印加する（ステップＳ２０９）。具体的には、パルス発生器５０がパルス信号をスイッチ３０６に出力する。これにより、測定信号がスイッチ３０６を介して生成部１０に伝送され、生成部１０に含まれる磁性体素子１４０に測定交流磁場が印加される。
　次いで、情報生成装置１の測定装置６０は、磁性体素子１４０の電圧の位相を測定する（ステップＳ２１１）。具体的には、測定部６２が、磁性体素子１４０の電圧及び読み取り信号に基づいて、磁性体素子１４０の電圧の位相を測定する。測定された電圧の情報は、取得部６４に伝送される。
　次いで、情報生成装置１は、誘起交流磁場の印加を終了する（ステップＳ２１３）。具体的には、パルス発生器５０が、スイッチ３０６へのパルス信号の出力を終了する。誘起交流磁場の印加が終了すると、図１２に示す位相測定処理が終了する。
　なお、本実施形態では、初期化交流磁場に重畳して誘起交流磁場を印加するものとして説明したが、初期化交流磁場が印加されていなくとも、角周波数が２ωの誘起交流磁場を磁性体素子１４０に印加することにより、角周波数が１ωのモードを誘起することができる。この場合には、ゼロ状態又はπ状態のいずれかのモードがランダムで選択されて誘起される。本実施形態では、初期化交流磁場を印加しておくことにより、誘起されるモードの位相が選択される。
　［マグノントモグラフィ法によるコヒーレンス時間の測定］
　図１７は、本開示の一実施形態に係るトモグラフィ測定装置の概略構成を示す図である。以下では、マグノントモグラフィ法という磁化ベクトルの位相及び振幅を実験的に測定する方法について説明する。
　図１７に示すように、本実施形態に係るトモグラフィ測定装置２は、生成部１０と、磁場印加部２０と、励起用信号発生器７１と、参照信号発生器７２及び７３と、スイッチャー７４と、ミキサ７５と、位相シフタ７６と、バンドパスフィルタ７７と、ロックインアンプ７８と、ゲート処理回路７９と、処理装置８０と、を備える。
　生成部１０及び磁場印加部２０は、図１に示すものとそれぞれ同様である。励起用信号発生器７１は、磁性体素子１４０をパラメトリック励起させるための信号源であり、第３周波数ｆ３の励起用信号Ｓ７１を生成し、スイッチャー７４経由で生成部１０へ出力する。
　スイッチャー７４は、励起用信号発生器７１から受ける励起用信号Ｓ７１を断続し、励起用信号Ｓ７１の形状を、時間幅及びパルス間隔がそれぞれ１５マイクロ秒及び６マイクロ秒のパルス形状に変換する。時間幅、パルス間隔及びパルスの発生タイミングは、処理装置８０によって制御される。
　参照信号発生器７２は、第１周波数ｆ１に周波数Ωを加えた周波数すなわちｆ１＋Ωの周波数の参照用信号Ｓ７２を位相シフタ７６経由でミキサ７５へ出力する。ここで、Ωは、例えば数百メガヘルツである。
　位相シフタ７６は、参照信号発生器７２から受ける参照用信号Ｓ７２の位相を角度θ移相してミキサ７５へ出力する。角度θは、処理装置８０によって制御される。
　ミキサ７５は、励起用信号Ｓ７１の照射によって磁性体素子１４０において生成されたマグノンＭｇ１０に基づいて磁性体素子１４０に発生した第１周波数ｆ１の信号を参照用信号Ｓ７２で変調する。そして、ミキサ７５は、ｆ１の周波数とｆ１＋Ωの周波数との和の周波数を有する信号（以下、和周波信号とも称する。）と、ｆ１の周波数とｆ１＋Ωの周波数との差の周波数を有する信号（以下、差周波信号とも称する。）と、を生成する。
　ミキサ７５は、生成した和周波信号及び差周波信号をバンドパスフィルタ７７経由でロックインアンプ７８へ出力する。
　バンドパスフィルタ７７は、和周波信号及び差周波信号をミキサ７５から受け、和周波信号を減衰させ、主に差周波信号をロックインアンプ７８へ出力する。
　参照信号発生器７３は、周波数Ωの参照用信号Ｓ７３をロックインアンプ７８へ出力する。
　ロックインアンプ７８は、バンドパスフィルタ７７経由でミキサ７５から受ける差周波信号を、参照用信号Ｓ７３から受ける周波数Ωの参照用信号Ｓ７３でホモダイン検波し、ＤＣ信号をゲート処理回路７９経由で処理装置８０へ出力する。
　ゲート処理回路７９は、ロックインアンプ７８から受けるＤＣ信号を、所定のゲート幅例えば１００ナノ秒の時間幅で通過させる。パルス形状の励起用信号Ｓ７１の終了タイミングからゲート幅の開始タイミングまでのディレイ時間は、処理装置８０によって制御される。
　処理装置８０は、励起用信号発生器７１、参照信号発生器７２及び７３、スイッチャー７４、位相シフタ７６並びにゲート処理回路７９を制御することが可能である。
　処理装置８０は、位相シフタ７６の角度θ及びゲート処理回路７９のディレイ時間を設定し、ロックインアンプ７８からゲート処理回路７９経由で受けるＤＣ信号の電圧の値を測定する。
　処理装置８０は、この測定を例えば数千回程度繰り返し行い、ＤＣ信号の電圧の値を蓄積する。そして、処理装置８０は、蓄積した各電圧値に基づいて、設定した角度θ及びディレイ時間に対応するＤＣ信号の電圧値のヒストグラムを生成して記憶する。このヒストグラムは、揺らぎも含めた磁化ベクトルの状態を示す。
　角度θ及びディレイ時間の設定は、例えば、角度θについてはゼロからπまでの所定角度ごとの設定であり、また、ディレイ時間についてはゼロから６マイクロ秒までの所定時間ごとの設定である。処理装置８０は、上記の設定ごとにヒストグラムを生成して記憶する。
　処理装置８０は、記憶した複数のヒストグラムに基づいてウィグナー関数の再構築処理を行う。
　図１８は、本開示の一実施形態に係るヒストグラムとウィグナー関数との関係の一例を示す図である。図１８に示すように、磁化ベクトルを基準とした座標系Ｓｘ、Ｓｙ及びＳｚは、実験室固定の座標系ｘ、ｙ及びｚ（図９参照）に対して、共鳴周波数例えば第１周波数ｆ１でｚ軸の周りに回転する座標系である。つまり、第１周波数ｆ１でｚ軸の周りを回転する磁化ベクトルを座標系Ｓｘ、Ｓｙ及びＳｚから見たときは、磁化ベクトルが止まって見える。
　軸Ｓｘ及びＳｙを含む面に位置するウィグナー関数Ｐ１を、当該面に垂直な面であって軸Ｓｘからの方位角がθの面に射影した曲線が、方位角がθのときの周辺分布関数ＭＤ１である。
　あるディレイ時間において処理装置８０によって測定された角度θのヒストグラムは、方位角がθのときの周辺分布関数ＭＤ１を実験的に得たものである。ゼロからπまでの角度θの各ヒストグラムを逆ラドン変換することによって、当該ディレイ時間のウィグナー関数Ｐ１を実験的に得ることができる。
　座標系Ｓｘ、Ｓｙ及びＳｚにおいて、原点からウィグナー関数Ｐ１の頂点までの位置ベクトルＶ１の長さが、コヒーレンス情報の一例であるマグノン振幅である。軸Ｓｘを基準としたときの位置ベクトルＶ１の方位角θｐが、コヒーレンス情報の一例である歳差位相である。
　図１９は、本開示の一実施形態に係るマグノン振幅のディレイ時間に対する変化の一例を示す図である。なお、図１９では、縦軸は、マグノン振幅に比例する値の対数を示し、横軸は、ディレイ時間を示す。ここで、マグノン振幅に比例する値は、具体的には、ヒストグラムにおけるピーク電圧ＶISHEを所定のしきい値電圧Ｖthで除した値である。
　図１９に示すように、曲線Ｃｒは、磁性体素子１４０における分散関係がオクターブ条件を満たしている場合において、１５．８ｄＢｍのパワーを有する第３周波数ｆ３のマイクロ波で磁性体素子１４０をパラメトリック励起したときのマグノン振幅のディレイ時間に対する変化を示す比較例である。ディレイ時間が数百ナノ秒程度でマグノン振幅がほぼゼロとなることが曲線Ｃｒから分かる。これは、コヒーレンス情報が数百ナノ秒程度で失われてしまっていることを示す。言い換えると、コヒーレンス時間が数百ナノ秒程度であることを示す。
　これに対して、曲線Ｃ２は、磁性体素子１４０における分散関係がオクターブ条件を満たしている場合において、１７．２ｄＢｍのパワーを有する第３周波数ｆ３のマイクロ波で磁性体素子１４０をパラメトリック励起をしたときのマグノン振幅のディレイ時間に対する変化を示す。ディレイ時間が４マイクロ秒程度までゼロより大きいマグノン振幅があることが曲線Ｃ２から分かる。これは、４マイクロ秒程度までコヒーレンス情報が維持されていることを示している。言い換えると、コヒーレンス時間を４マイクロ秒程度まで長くすることができたことを示している。
　第３周波数ｆ３のマイクロ波のパワーが、パラメトリック励起が発生するしきい値（以下、第１しきい値とも称する。）を超えている場合、パラメトリック励起によってマグノンＭｇ１０及びＭｇ２０が生成される。
　マイクロ波のパワーが第１しきい値を超えている場合でも、３－マグノン相互作用の効果が表れるか否かについては、マイクロ波のパワーに対するしきい値特性がある。具体的には、マイクロ波のパワーが、第１しきい値より大きく、かつ、マグノンの減衰レートに基づいて定まるしきい値（以下、第２しきい値とも称する。）より小さいとき、３－マグノン相互作用の効果は表れない、もしくは弱い。
　一方、マイクロ波のパワーが第２しきい値より大きいとき、３－マグノン相互作用による効果が表れる。本実施形態では、第１しきい値は、１５．８ｄＢｍより小さいと考えられる。第２しきい値は、１５．８ｄＢｍと１７．２ｄＢｍとの間にあると考えられる。
　具体的には、曲線Ｃｒの場合のように、マイクロ波のパワーが第１しきい値より大きく、かつ、第２しきい値より小さいとき、生成されるマグノンＭｇ１０及びＭｇ２０の個数が少ないため、マグノンＭｇ１０及びＭｇ２０の生成よりもマグノンの減衰が優勢となる。このため、マグノンＭｇ１０及びＭｇ２０間の３－マグノン相互作用の効果が表れないもしくは弱くなり、マグノンＭｇ１０が数百ナノ秒程度で消滅してしまう。
　曲線Ｃ２の場合のように、マイクロ波のパワーが第２しきい値より大きいとき、生成されるマグノンＭｇ１０及びＭｇ２０の個数が多いので、マグノンの減衰よりもマグノンＭｇ１０及びＭｇ２０の生成が優勢になる。これにより、マグノンＭｇ１０及びＭｇ２０間の３－マグノン相互作用による効果が表れ、コヒーレンス時間を４マイクロ秒程度まで長くすることができる。
　［ポンププローブ法によるコヒーレンス時間の測定］
　図２０は、本開示の一実施形態に係るゼロ状態の出現確率の遅延時間に対する変化の一例を示す図である。なお、図２０では、縦軸はゼロ状態の出現確率を示し、横軸は遅延時間を示す。
　図２０に示すように、磁性体素子１４０における分散関係がオクターブ条件を満たしている場合において、測定データＤ３は、パラメトリック励起したときのゼロ状態の出現確率の遅延時間に対する変化を示し、測定データＤｒは、磁気共鳴励起したときのゼロ状態の出現確率の遅延時間に対する変化を示す。
　詳細には、測定データＤｒは、比較例のデータであり、以下の測定条件で繰り返し測定された結果に基づいて取得された、ゼロ状態の出現確率の遅延時間に対する変化を示す。
　すなわち、上記測定条件は、初期化交流磁場（図５参照）を印加しないで、第１周波数ｆ１の誘起交流磁場の印加、遅延時間の待機及び第３周波数ｆ３の測定交流磁場の印加のセットが繰り返され、磁性体素子１４０に生じた電圧の位相が繰り返し測定されることである。
　測定データＤｒは、ゼロから１００ナノ秒程度まではゼロ状態の出現確率が１に近いものの、１００ナノ秒以降はゼロ状態の出現確率が０．５程度になっている。つまり、１００ナノ秒以降の測定データＤｒには、磁化ベクトルの熱揺らぎが反映されている。これは、磁化ベクトルの歳差運動が１００ナノ秒程度で緩和されたことと、１００ナノ秒以降では、磁化ベクトルが静磁場の方向に向いて熱揺らぎの状態となったことと、を示している。
　これに対して、測定データＤ３は、以下の測定条件で繰り返し測定された結果に基づいて取得された、ゼロ状態の出現確率の遅延時間に対する変化を示す。
　すなわち、上記測定条件は、初期化交流磁場（図５参照）を印加しないで、第３周波数ｆ３の誘起交流磁場の印加、遅延時間の待機及び第３周波数ｆ３の測定交流磁場の印加のセットが繰り返され、磁性体素子１４０に生じた電圧の位相が繰り返し測定されることである。
　測定データＤ３では、０．５を中心として減衰しながら振動するゼロ状態の出現確率が４マイクロ秒程度まで残っている。これは、ボトムモードのマグノンＭｇ２０が十分に生成されることで、コヒーレンス時間を４マイクロ秒程度まで長くすることができたことを示している。
　なお、上記実施形態では、静磁場Ｈ0が、磁性体素子１４０に含まれる磁性体の交換相互作用定数、飽和磁化、膜厚及び磁気異方性定数に基づいて定められる構成について説明したが、これに限定するものではない。静磁場Ｈ0は、当該磁性体の交換相互作用定数、飽和磁化、膜厚及び磁気異方性定数の少なくとも１つに基づいて定められる構成であってもよい。
　また、上記実施形態では、測定交流磁場の周波数が、誘起交流磁場の周波数すなわち第３周波数ｆ３である構成について説明したが、これに限定されるものではない。測定交流磁場の周波数は、初期化交流磁場の周波数すなわち第１周波数ｆ１である構成であってもよい。
　また、上記実施形態では、コヒーレンス情報が歳差位相である構成について説明したが、これに限定されるものではない。コヒーレンス情報は、マグノン振幅である構成であってもよいし、マグノン振幅及び歳差位相の両方である構成であってもよい。
　また、上記実施形態では、磁性体１４０ａは、固体の円板形状である構成について説明したが、これに限定されるものではない。磁性体１４０ａは、他の態様又は形状を有する構成であってもよい。具体的には、磁性体１４０ａは、ペースト状であってもよいし、液状であってもよい。
　以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。
１…情報生成装置
２…トモグラフィ測定装置
１０…生成部
２０…磁場印加部
３０…制御装置
４０…交流磁場印加部
４２…初期化信号発生器
４４…誘起信号発生器
４６…測定信号発生器
４８…信号発生器
５０…パルス発生器
６０…測定装置
６２…測定部
６４…取得部
７１…励起用信号発生器
７２、７３…参照信号発生器
７４…スイッチャー
７５…ミキサ
７６…位相シフタ
７７…バンドパスフィルタ
７８…ロックインアンプ
７９…ゲート処理回路
８０…処理装置
１００…コプレーナウェーブガイド
１０２…伝送部
１０４、１０６…グランドプレーン
１１０…誘電体基板
１１２…層
１２０…入力端子
１２４…出力端子
１３０…生成素子
１４０…磁性体素子
１４０ａ…磁性体
１４２…基板
１４４…グラウンドパッド
１４６…出力パッド
１５０、１５２、１５４、１５６…空隙部
３０２、３０４、３０６…スイッチ
３１０、３１２、３１４…カプラ

Claims (11)

  1. 　磁性体と、
    　前記磁性体に磁場を印加する磁場印加部と、
    　前記磁場が印加されている前記磁性体に交流磁場を印加して、前記磁性体において、コヒーレンス情報を有する第１周波数の第１マグノンと、前記第１周波数の半分の第２周波数の第２マグノンと、を生成させる情報生成部と、を備え、
    　前記第２マグノンは、前記第１マグノンよりも緩和が遅く、かつ、前記第１マグノンと相互作用をする、
    　情報生成装置。
  2. 　前記第１マグノンと、互いに逆向きの波数ベクトルを有する２つの前記第２マグノンとが前記相互作用をする、
    　請求項１に記載の情報生成装置。
  3. 　前記磁場が印加されている前記磁性体における前記マグノンの分散関係は、前記マグノンの波数ベクトルの大きさがゼロのときに極大値である前記第１周波数を示し、かつ、前記波数ベクトルの前記磁場方向の成分が第１値及び前記第１値と異なる符号の第２値のときに極小値である前記第２周波数を示す、
    　請求項１又は２に記載の情報生成装置。
  4. 　前記交流磁場は、前記第１周波数を有する第１交流磁場と、前記第１周波数の２倍の第３周波数を有する第２交流磁場と、を含み、
    　前記情報生成部は、前記第１交流磁場を前記磁性体に印加し、前記第１交流磁場を前記磁性体に印加している間に、前記第２交流磁場の前記磁性体への印加を開始する、
    　請求項１又は２に記載の情報生成装置。
  5. 　前記磁場は、前記磁性体の交換相互作用定数、飽和磁化、膜厚及び磁気異方性定数の少なくとも１つに基づいて定められる、
    　請求項１又は２に記載の情報生成装置。
  6. 　前記情報生成装置は、
    　前記情報生成部による前記第２交流磁場の印加が終了した後に、前記第１周波数又は前記第３周波数を有する第３交流磁場を前記磁性体に印加する測定磁場印加部と、
    　前記第３交流磁場が印加されている前記磁性体の電圧の位相に基づいて、前記コヒーレンス情報を取得する取得部と、をさらに備える、
    　請求項４に記載の情報生成装置。
  7. 　前記情報生成部は、前記交流磁場の印加を繰り返し実行し、
    　前記測定磁場印加部は、前記情報生成部による前記交流磁場の印加に応じて前記第３交流磁場の印加を繰り返し実行し、
    　前記取得部は、前記第３交流磁場が印加される度に測定される前記位相に基づいて、確率的な前記コヒーレンス情報を取得する、
    　請求項６に記載の情報生成装置。
  8. 　前記コヒーレンス情報は、位相及び振幅の少なくとも一方である、
    　請求項１又は２に記載の情報生成装置。
  9. 　前記磁性体の厚さは、２００ナノメートル以上である、
    　請求項１又は２に記載の情報生成装置。
  10. 　前記磁場の大きさは、２５ミリテスラ以上１００ミリテスラ以下である、
    　請求項１又は２に記載の情報生成装置。
  11. 　磁性体に磁場を印加することと、
    　前記磁場が印加されている磁性体に交流磁場を印加して、前記磁性体において、コヒーレンス情報を有する第１周波数の第１マグノンと、前記第１周波数の半分の第２周波数の第２マグノンと、を生成させることと、を含み、
    　前記第２マグノンは、前記第１マグノンよりも緩和が遅く、かつ、前記第１マグノンと相互作用をする、
    　情報生成方法。
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