特開 2024-14126 情報生成装置及び情報生成方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024014126

(43)【公開日】2024-02-01

(54)【発明の名称】情報生成装置及び情報生成方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/82 20060101AFI20240125BHJP

   G06N 10/40 20220101ALI20240125BHJP

【ＦＩ】

H01L29/82 Z

G06N10/40

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022116737

(22)【出願日】2022-07-21

(71)【出願人】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】100079108

【弁理士】

【氏名又は名称】稲葉 良幸

(74)【代理人】

【識別番号】100109346

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 敏史

(74)【代理人】

【識別番号】100117189

【弁理士】

【氏名又は名称】江口 昭彦

(74)【代理人】

【識別番号】100134120

【弁理士】

【氏名又は名称】内藤 和彦

(72)【発明者】

【氏名】巻内 崇彦

(72)【発明者】

【氏名】清水 祐樹

(72)【発明者】

【氏名】日置 友智

(72)【発明者】

【氏名】星 幸治郎

(72)【発明者】

【氏名】齊藤 英治

【テーマコード（参考）】

5F092

【Ｆターム（参考）】

5F092AA15

5F092AB10

5F092AC30

5F092AD30

5F092BD04

5F092BD13

5F092BD24

5F092FA08

(57)【要約】

【課題】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。
【解決手段】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。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、情報生成装置及び情報生成方法に関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２００７－５０４６５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

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。

【0005】

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。

【0006】

そこで、本発明は、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。

【課題を解決するための手段】

【0007】

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。

【0008】

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。

【0009】

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。

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【発明の効果】

【0029】

本発明によれば、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。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】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2】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3】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4】図３に示すＡ－Ａ’の断面図である。

【図5】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6】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。

【図7】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】３－マグノン相互作用を説明するための図である。

【図9】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10】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。

【図11】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。

【図12】磁化緩和の微視的機構を説明するための図である。

【図13】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14】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。

【図15】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16】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。

【図17】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。

【図18】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19】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。

【図20】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。

【発明を実施するための形態】

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

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。

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

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。

【0061】

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。

【0062】

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。

【0063】

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。

【0064】

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。

【0065】

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。

【0066】

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。

【0067】

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。

【0068】

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。

【0069】

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。

【0070】

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。

【0071】

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。

【0072】

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。

【0073】

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。

【0074】

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。

【0075】

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。

【0076】

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。

【0077】

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。

【0078】

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。

【0079】

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。

【0080】

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。

【0081】

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。

【0082】

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。

【0083】

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。

【0084】

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。

【0085】

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。

【0086】

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。

【0087】

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。

【0088】

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。

【0089】

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。

【0090】

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。

【0091】

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。

【0092】

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。

【0093】

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。

【0094】

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。

【0095】

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。

【0096】

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。

【0097】

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。

【0098】

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。

【0099】

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。

【数1】

【0100】

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。

【0101】

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。

【0102】

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。

【0103】

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。

【0104】

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。

【0105】

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。

【0106】

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。

【0107】

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。

【0108】

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。

【数2】

【0109】

ここで、

【数3】

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。

【0110】

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。

【0111】

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。

【0112】

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。

【0113】

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。

【0114】

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。

【0115】

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。

【0116】

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。

【数4】

【0117】

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。

【0118】

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。

【0119】

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。

【0120】

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。

【0121】

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。

【0122】

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）。

【0123】

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。

【0124】

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）。

【0125】

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。

【0126】

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。

【0127】

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。

【0128】

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。

【0129】

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。

【0130】

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。

【0131】

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。

【0132】

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。

【0133】

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。

【0134】

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。

【0135】

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。

【0136】

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。

【0137】

［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。

【0138】

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。

【0139】

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。

【0140】

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。

【0141】

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。

【0142】

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。

【0143】

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。

【0144】

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。

【0145】

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。

【0146】

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。

【0147】

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。

【0148】

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。

【0149】

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。

【0150】

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。

【0151】

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。

【0152】

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。

【0153】

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。

【0154】

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。

【0155】

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。

【0156】

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。

【0157】

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Ｖ_ISHEを所定のしきい値電圧Ｖ_thで除した値である。

【0158】

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。

【0159】

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。

【0160】

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。

【0161】

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。

【0162】

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。

【0163】

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。

【0164】

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。

【0165】

［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。

【0166】

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。

【0167】

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。

【0168】

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。

【0169】

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。

【0170】

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。

【0171】

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。

【0172】

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。

【0173】

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。

【0174】

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。

【0175】

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。

【0176】

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。

【0177】

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。

【符号の説明】

【0178】

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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】