特許 7565563 磁気メタマテリアル、スピン流制御装置及びスピン流制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-03

(45)【発行日】2024-10-11

(54)【発明の名称】磁気メタマテリアル、スピン流制御装置及びスピン流制御方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/82 20060101AFI20241004BHJP

【ＦＩ】

H01L29/82 Z

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2023520945

(86)(22)【出願日】2022-04-20

(86)【国際出願番号】 JP2022018259

(87)【国際公開番号】W WO2022239615

(87)【国際公開日】2022-11-17

【審査請求日】2023-08-14

(31)【優先権主張番号】P 2021082127

(32)【優先日】2021-05-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(73)【特許権者】

【識別番号】504139662

【氏名又は名称】国立大学法人東海国立大学機構

(74)【代理人】

【識別番号】100165179

【弁理士】

【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100188558

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅人

(74)【代理人】

【識別番号】100175824

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100152272

【弁理士】

【氏名又は名称】川越 雄一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100181722

【弁理士】

【氏名又は名称】春田 洋孝

(72)【発明者】

【氏名】松原 正和

(72)【発明者】

【氏名】加藤 剛志

【審査官】宮本 博司

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１４／００２８８１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０２１－４００６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／０３９５５３２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－１９５２６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００２－５４１６１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】松原正和他，"非反転対称磁性体の作製と新規スピン光機能の探索"，NanotechJapan Bulletin，ナノテクノロジー Pick Up ＜第32回＞，2020年，p. 1 - 5

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２９／８２

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光に対して等方性を有する垂直磁化膜を有し、
前記垂直磁化膜は、面内方向に周期的に配列する複数の単位構造を含み、
前記複数の単位構造のそれぞれは、大きさが照射される光の波長以下であり、三回回転対称性を有する、磁気メタマテリアル。

【請求項2】

前記垂直磁化膜は、前記複数の単位構造を形成する複数の開口を有する、請求項１に記載の磁気メタマテリアル。

【請求項3】

前記複数の開口のそれぞれは正三角形である、請求項２に記載の磁気メタマテリアル。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか一項に記載の磁気メタマテリアルと、
前記磁気メタマテリアルに光を照射する光照射部と、を有し、
前記光照射部は、前記磁気メタマテリアルに照射される光の楕円率角及び方位角を制御できる、スピン流制御装置。

【請求項5】

磁気メタマテリアルに楕円率角及び方位角が制御された光を照射する工程を有し、
前記磁気メタマテリアルは、光に対して等方性を有する垂直磁化膜を有し、
前記垂直磁化膜は、面内方向に周期的に配列する複数の単位構造を含み、
前記複数の単位構造のそれぞれは、大きさが照射される光の波長以下であり、三回回転対称性を有する、スピン流の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁気メタマテリアル、スピン流制御装置及びスピン流制御方法に関する。本願は、２０２１年５月１４日に、日本に出願された特願２０２１－０８２１２７に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

【背景技術】

【0002】

近年、スピントロニクスに注目が集まっている。スピントロニクスは、固体中の電子が持つ電荷の自由度のみならずスピンの自由度も工学的に利用することである。スピントロニクスは、電荷の自由度のみを利用したエレクトロニクスでは実現できなかった機能、性能を有する新たなデバイスの実現を担う。

【0003】

スピン流は、スピントロニクスに用いられる一つの要素である。スピン流は、上向きスピンの電子と下向きスピンの電子の流れの差であり、Ｊ_Ｓ＝Ｊ_↑－Ｊ_↓で表される。Ｊ_Ｓはスピン流であり、Ｊ_↑は上向きスピンの電子の流れであり、Ｊ_↓は下向きスピンの電子の流れである。例えば、特許文献１には、磁性体にマイクロ波を照射するとスピンポンピング効果によりスピン流が生じることが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１４－０８６４４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

スピン流は、特許文献１に示されるスピンポンピング効果以外の方法でも生成することができる。例えば、スピン流は、電流によるスピンホール効果、熱流によるスピンゼーベック効果、光を用いたプラズモニックスピンポンピング効果、円偏光ガルバノ効果等でも生成される。しかしながら、いずれの方法を用いても、スピン流が生じる方向、大きさを自由に制御することは難しかった。

【0006】

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、スピン流の方向及び大きさを制御することができる、磁気メタマテリアル、スピン流制御装置及びスピン流制御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】

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

【0008】

（１）第１の態様にかかる磁気メタマテリアルは、光に対して等方性を有する垂直磁化膜を有し、前記垂直磁化膜は、面内方向に周期的に配列する複数の単位構造を含み、前記複数の単位構造のそれぞれは、大きさが照射される光の波長以下であり、三回回転対称性を有する。

【0009】

（２）上記態様にかかる磁気メタマテリアルにおいて、前記垂直磁化膜は、前記複数の単位構造を形成する複数の開口を有してもよい。

【0010】

（３）上記態様にかかる磁気メタマテリアルにおいて、前記複数の開口のそれぞれは正三角形であってもよい。

【0011】

（４）第２の態様にかかるスピン流制御素子は、上記態様にかかる磁気メタマテリアルと、前記磁気メタマテリアルに光を照射する光照射部と、を有し、前記光照射部は、前記磁気メタマテリアルに照射される光の楕円率角及び方位角を制御できる。

【0012】

（５）第３の態様にかかるスピン流の制御方法は、磁気メタマテリアルに楕円率角及び方位角が制御された光を照射する工程を有し、前記磁気メタマテリアルは、光に対して等方性を有する垂直磁化膜を有し、前記垂直磁化膜は、面内方向に周期的に配列する複数の単位構造を含み、前記複数の単位構造のそれぞれは、大きさが照射される光の波長以下であり、三回回転対称性を有する。

【発明の効果】

【0013】

上記態様にかかる磁気メタマテリアル、スピン流制御装置及びスピン流制御方法は、スピン流の方向及び大きさを制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】第１実施形態に係るスピン流制御装置の斜視図である。

【図2】第１実施形態に係る磁気メタマテリアルの斜視図である。

【図3】第１実施形態に係る磁気メタマテリアルの平面図である。

【図4】変形例にかかる磁気メタマテリアルの平面図である。

【図5】実施例１に係る実験系のイメージ図である。

【図6】実施例１において、磁気メタマテリアルにレーザー光を照射した後に生じるスピン流の応答特性を示す。

【図7】実施例１において、磁気メタマテリアルに照射するレーザー光の強度を変更した結果を示す。

【図8】実施例１において、磁気メタマテリアルに印加する磁場を変えた際におけるスピン流への影響を測定した結果である。

【図9】実施例１において磁気ファラデー効果を用いて、垂直磁化膜の磁化の方向を測定した結果である。

【図10】複数の開口を形成する前の平坦なＣｏ／Ｐｔの多層膜の磁化曲線と、磁気メタマテリアル（ＭＭ）の磁化曲線とを比較した図である。

【図11】磁気メタマテリアルの透過率（Ｔ）、反射率（Ｒ）、吸収率（Ａ）の波長依存性を測定した結果である。

【図12】実施例１の実験系において、照射する光の波長に対するスピン流の大きさの依存性を測定した結果である。

【図13】実施例２に係る実験系のイメージ図である。

【図14】実施例２に係る実験系において、磁気メタマテリアルに照射される光の方位角θ_ωを変えた結果である。

【図15】実施例３に係る実験系のイメージ図である。

【図16】実施例３に係る実験系において、光学素子に照射される光の方位角φ_ωを変えた際のスピン流の大きさのｘ成分及びｙ成分（Ｊ_ｓ，ｘ、Ｊ_ｓ，ｙ）を測定した結果である。

【図17】図１６の結果を楕円率角ε_ωとスピン流の大きさ（｜Ｊ_ｓ｜）の関係に置き換えた図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

【0016】

まず方向について定義する。磁気メタマテリアル１０の広がる面内のうちの一方向をｘ方向、ｘ方向と直交する方向をｙ方向とする。またｘｙ平面に対して直交する方向をｚ方向とする。

【0017】

図１は、第１実施形態に係るスピン流制御装置１００の斜視図である。スピン流制御装置１００は、磁気メタマテリアル１０と光照射部２０とを有する。磁気メタマテリアルは、磁性メタマテリアル、磁性体メタマテリアルと称される場合もある。

【0018】

光照射部２０は、磁気メタマテリアル１０に光を照射する。光照射部２０は、例えば、ｚ方向から磁気メタマテリアル１０に光を照射する。光照射部２０は、磁気メタマテリアル１０に照射される光の楕円率角ε_ω及び方位角θ_ωを制御できる。光照射部２０は、例えば、光源２１と光学素子２２とを有する。

【0019】

光源２１は、例えば、レーザー光源である。光源２１は、例えば、パルスレーザーである。光源２１からの出射光の中心波長、パルス幅、繰返し周期は、特に問わない。光源２１からの出射光の中心波長は、例えば、３００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下である。また光源２１から出射される光の磁気メタマテリアル１０の表面におけるスポット径は、磁気メタマテリアル１０のサイズに合わせる。光のスポット径は、例えば、２５０μｍである。

【0020】

光学素子２２は、例えば、偏光子、波長板である。光源２１から出射された光は、光学素子２２を通過することで、偏光状態が変化する。磁気メタマテリアル１０には、光学素子２２によって偏光状態が制御された光が照射される。

【0021】

磁気メタマテリアル１０に照射される光は、例えば、楕円率角ε_ω及び方位角θ_ωが制御された楕円偏光である。なお、直線偏向は、楕円率角ε_ωが０°又は９０°の場合であり、楕円偏光の一態様とする。また、円偏光も、楕円率角ε_ωが４５°の場合であり、楕円偏光の一態様とする。楕円率は、楕円偏光の長軸の長さａと短軸の長さｂの比であり、ｂ／ａで表される。楕円率角ε_ωは、ｔａｎε_ω＝ｂ／ａで表される。方位角θ_ωは、楕円偏光の長軸がｙ軸となす角である。ｙ軸は、例えば、入射直線偏光の透過軸である。

【0022】

図２は、磁気メタマテリアル１０の斜視図である。図３は、磁気メタマテリアル１０の平面図である。磁気メタマテリアル１０は、空間反転対称性及び時間反転対称性が破れている。磁気メタマテリアル１０は、例えば、基板１１と、基板１１上に積層された垂直磁化膜１２とを有する。

【0023】

基板１１は、特に問わない。基板１１は、例えば、石英ガラスである。基板１１と垂直磁化膜１２との間には他の層を有してもよい。例えば、基板１１と垂直磁化膜１２との間に、基板１１と垂直磁化膜１２との密着性を向上するための密着層を形成してもよい。密着層は、例えば、窒化シリコンである。また例えば、基板１１と垂直磁化膜１２との間に、垂直磁化膜１２の結晶性を向上するための下地層を形成してもよい。下地層は、例えば、プラチナである。

【0024】

垂直磁化膜１２は、ｘｙ面内に対して交差（直交）する向きに磁化容易軸を有する磁性膜である。磁性膜は、強磁性膜でもフェリ磁性膜でもよい。磁性膜は、時間反転対称性が破れている。磁気秩序状態では、スピンや軌道の角運動量が作る磁気モーメントが時間反転操作によって反転するためである。磁性膜は、例えば、強磁性膜が好ましい。

【0025】

垂直磁化膜１２は、単位構造が形成される前の状態で、光に対して等方性を有する。光に対して等方性を有するとは、いずれの方向から垂直磁化膜１２に光を照射しても同じように応答する特性を有する。

【0026】

垂直磁化膜１２は、例えば、３ｄ遷移金属と貴金属との多層膜、サンドイッチ膜、Ｌ１０型又はＬ１１型の規則合金、希土類－遷移金属アモルファス合金等である。３ｄ遷移金属と貴金属との多層膜は、例えば、ＣｏとＰｔの多層膜、ＣｏとＰｄの多層膜、ＣｏとＡｕの多層膜、ＦｅとＰｔの多層膜等である。サンドイッチ膜は、例えば、ＣｏＦｅＢをＭｇＯとＴａとで挟んだ膜、ＣｏをＴａとＰｔとで挟んだ膜等である。Ｌ１０型又はＬ１１型の規則合金は、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔ、ＭｎＧａ、ＭｎＡｌ等である。希土類－遷移金属アモルファス合金は、例えば、ＧｄＦｅＣｏ等である。３ｄ遷移金属と貴金属との多層膜は、高い耐食性、高い垂直磁気異方性を兼ね備え、室温成膜可能なため、特に好ましい。

【0027】

垂直磁化膜１２は、複数の単位構造１３を有する。複数の単位構造１３は、単位構造が形成される前の状態で、光に対して等方性を有する垂直磁化膜１２に形成されている。複数の単位構造１３は、磁気メタマテリアル１０の面内方向において、周期的に配列している。複数の単位構造１３は、例えば、磁気メタマテリアル１０の面内方向のうちの一方向に、周期的に配列している。複数の単位構造１３は、例えば、磁気メタマテリアル１０の面内方向のうち異なる複数の方向に、周期的に配列していてもよい。複数の単位構造１３は、例えば、複数の開口１４によって形成されている。複数の単位構造１３の配列状態は特に問わない。例えば、隣接する単位構造１３の重心同士を繋ぐ線が、三角形を描いてもよいし、その他の多角形を描いてもよい。

【0028】

単位構造１３のそれぞれの大きさは、照射される光の波長以下である。単位構造１３のそれぞれの大きさは、例えば、１μｍ以下である。単位構造１３のそれぞれの大きさとは、単位構造１３のｘ方向の最大幅とｙ方向の最大幅である。

【0029】

単位構造１３は、３回回転対称性を有する。また開口１４も３回回転対称性を有する。３回回転対称性とは、単位構造１３を±１２０°回転させた際に、回転前と同じ構造になることをいう。垂直磁化膜１２は、単位構造１３が３回回転対称性を有するため、空間反転対称性が破れている。空間反転対称とは、点対称であることであり、座標（ｘ，ｙ，ｚ）を（－ｘ，－ｙ，－ｚ）に反転させた際に、反転前と同じ構造になることをいう。

【0030】

単位構造１３のｚ方向からの平面視形状は、例えば、隣接する単位構造１３と正三角形の角部を共有する正三角形である。開口１４のｚ方向からの平面視形状は、例えば、正三角形である。単位構造１３及び開口１４の平面視形状は、それぞれ３回回転対称性を有すれば特に問わない。例えば、単位構造１３と開口１４との関係が反転していてもよいし、例えば図４に示すように、開口１４が三菱型でもよい。

【0031】

単位構造１３及び開口１４は、点群３ｍに属する。またこれらの平面周期構造は、ｐ３ｍ１の空間群に属する。

【0032】

磁気メタマテリアル１０は、成膜した垂直磁化膜に単位構造を加工することで得られる。

【0033】

まず基板１１上に、垂直磁化膜を成膜する。垂直磁化膜は、スパッタリング法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）等の公知の方法で作製できる。例えば、垂直磁化膜が３ｄ遷移金属と貴金属との多層膜の場合は、３ｄ遷移金属と貴金属とを交互に成膜する。基板１１と垂直磁化膜との間に、密着層、下地層を形成してもよい。

【0034】

次いで、成膜された垂直磁化膜に、３回回転対称性を有する開口１４を形成する。開口１４は、例えば、電子線リソグラフィーで作製できる。

【0035】

第１実施形態に係るスピン流制御装置１００は、磁気メタマテリアル１０に楕円率角ε_ω及び方位角θ_ωが制御された光を照射することで、磁気メタマテリアル１０の表面に生じるスピン流の方向及び大きさを制御できる。すなわち、本実施形態に係るスピン流の制御方法は、磁気メタマテリアルに楕円率角ε_ω及び方位角θ_ωが制御された光を照射することで、スピン流を制御できる。

【0036】

空間反転対称性のない物質に光を照射すると、外場なしで光励起による電流が生じる。この現象を光ガルバノ効果という。これと類似した現象として、磁気光ガルバノ効果がある。磁気光ガルバノ効果は、空間反転対称性及び時間反転対称性のない物質に光を照射すると、外場なしで光励起によるスピン流が生じる現象である。

【0037】

磁気光ガルバノ効果は、２次の非線形光学効果であり、下記関係式（１）で表される。

【0038】

【数1】

【0039】

上記式においてＥ_ｊ（ω）、Ｅ_ｋ ^＊（ω）＝Ｅ_ｋ（－ω）は、それぞれωにおける入射光のｊ偏光電界とｋ偏光電界を示し、交流電界の２乗に比例したｉ方向のゼロバイアス光電流を誘起する。β_ｉｊｋは、３階の極性テンソルであり、空間反転及び時間反転操作によって符号が変わり、物質の対称性によって決定される値である。

【0040】

磁気メタマテリアル１０は、３回回転対称性を有する垂直磁化膜であり、楕円率角ε_ω及び方位角θ_ωが制御された光が照射されると、上式に基づいてスピン流Ｊ_ｓが生じる。上述のように、磁気メタマテリアル１０は点群３ｍに属するため、以下の関係式（２）及び（３）が導かれる。

【0041】

【数2】

【0042】

【数3】

【0043】

｜Ｊ_ｓ｜は、スピン流の大きさを示し、ｃｏｓ２ε_ωに比例する。すなわち、スピン流の大きさは、楕円率角ε_ωの影響を受ける。換言すると、楕円率角ε_ωを制御するとスピン流の大きさを制御できる。またθ_ｓは、スピン流が生じる主方向であり、ｙ軸とスピン流の主方向とのなす角である。スピン流が生じる方向は、方位角θ_ωの影響を受ける。換言すると、方位角θ_ωを制御するとスピン流が生じる方向を制御できる。

【0044】

上記関係は、磁気メタマテリアル１０を点群３ｍの対称性に当てはめた際に得られるものであり、磁気メタマテリアル１０が３回回転対称性を有する場合に、スピン流の大きさ及び方向を制御できる。

【0045】

スピン流は、磁気メモリ、熱電変換素子、発振器、センサ等に応用されている。スピン流の方向を制御できると、例えば、信号に指向性を与えることができる可能性がある。スピン流制御装置１００は、新たなスピントロニクスデバイスへの応用が可能である。

【0046】

なお、空間反転対称性のない非磁性体（例えば、Ｐｔ）のメタマテリアルに光を照射すると、光ガルバノ効果により光電流が生じる。光電流は、スピンホール効果を利用すると、スピン流に変換できる。スピンホール効果は、一方向に電流が流れた場合に、電流の流れ方向と直交する方向にスピン流が生じる現象である。すなわち、空間反転対称性のない非磁性のメタマテリアルに光を照射してスピン流を得ることもできる。しかしながら、光電流からスピン流への変換効率は十分ではなく、測定やデバイスの使用に適用できるほどのスピン流を得ることが難しい。第１実施形態に係るスピン流制御装置１００は、磁気光ガルバノ効果によってスピン流を直接、制御、検出するため、十分な大きさのスピン流を光によって制御できる。

【0047】

ここまでスピン流制御装置１００の一実施形態を例示した。しかしながら、本発明は、当該実施形態に限られるものではない。

【実施例】

【0048】

（実施例１）
図５は、実施例１に係る実験系のイメージ図である。実施例１の実験系は、磁気メタマテリアル１０と光照射部２０と測定系３０と磁場発生部（図示略）とを備える。実験は室温で行った。

【0049】

磁気メタマテリアル１０の具体的な構成は、図２及び図３に示す構成と同じである。磁気メタマテリアル１０は、両面が研磨されたＳｉＯ_２基板と、３回回転対称性を有する正三角形の開口が周期的に形成された垂直磁化膜と、を有する。ＳｉＯ_２基板と垂直磁化膜との間には、ＳｉＯ_２基板側から順に、密着層（５ｎｍ厚みのＳｉＮ）、下地層（２ｎｍ厚みのＰｔ）があり、これらにも正三角形の開口が周期的に形成されている。垂直磁化膜は、０．９ｎｍ厚みのＰｔと０．５ｎｍ厚みのＣｏとが交互に積層された多層膜である。Ｐｔ層とＣｏ層の積層数はそれぞれ５層とした。垂直磁化膜は、ｚ方向に磁化Ｍ_ｚを有する。また垂直磁化膜上には、キャップ層（２ｎｍ厚みのＰｔ）があり、キャップ層にも正三角形の開口が周期的に形成されている。各層は、高周波スパッタリング法で成膜されている。

【0050】

正三角形の開口は、電子線リソグラフィーで、２５０μｍ×２５０μｍの領域に形成されている。開口形成後には、Ａｒイオンでエッチングをした。開口の一辺は、４８０ｎｍであり、５５８ｎｍ間隔で周期的に配列している。

【0051】

光照射部２０は、Ｔｉ：サファイアレーザー（Spectra-Physics, Mai Tai(登録商標)）を有する。レーザー光は、中心波長８００ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ、繰返し周期８０ＭＨｚのものを用いた。磁気メタマテリアル１０の表面におけるレーザー光のスポット径は、２５０μｍとした。また磁気メタマテリアル１０を透過後のレーザー光をＣＣＤカメラでモニターした。レーザー光は、ゼーベック効果及びネルンスト効果による影響を除くために、磁気メタマテリアル１０の中心に照射されるように調整した。レーザー光の強度は、光学チョッパーによって１ｋＨｚに変調した。磁気メタマテリアル１０の照射する光は、楕円率角ε_ω及び方位角θ_ωが０°の直線偏光光とした。

【0052】

磁気メタマテリアル１０に光を照射すると、磁気メタマテリアル１０の表面にスピン流が生じる。スピン流は、ｘ方向とｙ方向に分けて、光学チョッパーからの参照信号を用いて、二相ロックインアンプ(Stanford Research Systems、SR865)で測定した。スピン流は、時間平均して求めた。スピン流の大きさ｜Ｊ_ｓ｜は、｜Ｊ_ｓ｜＝（（Ｊ_ｓ，ｙ）^２＋（Ｊ_ｓ，ｘ）^２）^１／２で計算した。Ｊ_ｓ，ｙはスピン流のｙ方向の成分であり、Ｊ_ｓ，ｘはスピン流のｘ方向の成分である。スピン流の生成方向θ_ｓは、θ_ｓ＝ｔａｎ^－１（Ｊ_ｓ，ｘ／Ｊ_ｓ，ｙ）で求めた。

【0053】

図６は、実施例１において、磁気メタマテリアル１０にレーザー光を照射した後に生じるスピン流の応答特性を示す。また図７は、実施例１において、磁気メタマテリアル１０に照射するレーザー光の強度を変更した結果を示す。

【0054】

図６に示すように、磁気メタマテリアル１０に対してレーザー光を照射後、２ｎｓｅｃ程度でスピン流が生じている。すなわち、実施例１に示すスピン流制御装置は、応答特性が早い。なお、図６ではスピン流の検出に２ｎｓｅｃかかっているが、当該時間はスピン流の測定系に依存したものであり、原理的にはｆｓｅｃのオーダーで応答すると考えられる。また図７に示すように、レーザー光の強度を大きくすると、スピン流の大きさが大きくなる。

【0055】

また図６及び図７は共通して、垂直磁化膜の磁化の配向方向が反転すると、スピン流の発生方向が反転することを示している。図６及び図７において、＋Ｍ_ｚは垂直磁化膜の磁化が＋ｚ方向に配向している場合を示し、－Ｍ_ｚは垂直磁化膜の磁化が－ｚ方向に配向している場合を示す。＋ｚ方向は、磁気メタマテリアル１０から光照射部２０に向かう方向であり、－ｚ方向は、光照射部２０から磁気メタマテリアル１０に向かう方向である。垂直磁化膜の磁化の配向方向は、磁場発生部（図示略）によって磁気メタマテリアル１０に対して磁場を与えることで変更した。

【0056】

図８は、実施例１において、磁気メタマテリアル１０に印加する磁場を変えた際におけるスピン流への影響を測定した結果である。図８に示すように、スピン流は、外部磁場に対してヒステリシスループを描いた。垂直磁化膜に印加する外部磁場の大きさの絶対値が１０００Ｏｅ程度まで大きくしても、スピン流の大きさ及び方向は変化しないが、１０００Ｏｅを超えるとスピン流の方向が反転した。

【0057】

図９は、実施例１において磁気ファラデー効果を用いて、垂直磁化膜の磁化の方向を測定した結果である。垂直磁化膜に照射された光は、ファラデー効果により、垂直磁化膜を通過後に回転する。ファラデー回転角θ_Ｆは、バランス検出法で測定した。図９に示すように、垂直磁化膜の磁化方向が反転すると、ファラデー回転角θ_Ｆは反転する。すなわち、外部磁場の大きさが１０００Ｏｅを超えると、垂直磁化膜の磁化方向が反転していると言える。図８及び図９から読み取れるように、スピン流が生じる方向が反転したのは、垂直磁化膜の磁化の配向方向が反転したことに起因している。

【0058】

なお、図１０は、複数の開口を形成する前の平坦なＣｏ／Ｐｔの多層膜の磁化曲線と、磁気メタマテリアル（ＭＭ）の磁化曲線とを比較した図である。図１０に示すように、磁気メタマテリアルの保磁力Ｈｃ（Ｈｃ≒１０００Ｏｅ）は、平面で形成されたＣｏ／Ｐｔ多層膜の保磁力Ｈｃ’（Ｈｃ’≒６００Ｏｅ）よりも大きかった。これは磁気メタマテリアルの開口によって磁化反転が妨げられたためと考えられる。

【0059】

また、図１１は、磁気メタマテリアルの透過率（Ｔ）、反射率（Ｒ）、吸収率（Ａ）の波長依存性を測定した結果である。吸収率（Ａ）は、１－透過率（Ｔ）－反射率（Ｒ）で求めた。図１１に示すように、磁気メタマテリアルは、光の波長に対する依存性が少ない。

【0060】

また、図１２は、実施例１の実験系において、照射する光の波長に対するスピン流の大きさの依存性を測定した結果である。照射波長を変えても、ｙ方向にスピン流（Ｊ_ｓ，ｙ）は生じず、ｘ方向のみにスピン流（Ｊ_ｓ，ｘ）が生じた。すなわち、楕円率角ε_ω及び方位角θ_ωが０°の直線偏光光を磁気メタマテリアルに照射した際に、スピン流がｘ方向のみに生じるという関係は変わらなかった。

【0061】

（実施例２）
図１３は、実施例２に係る実験系のイメージ図である。実施例２の実験系は、光照射部２０からの光が磁気メタマテリアル１０に照射され、磁気メタマテリアル１０の表面に生じたスピン流を測定系３０で測定するという点は、実施例１の実験系と同じである。一方で、磁気メタマテリアル１０に照射される光の方位角θ_ωを変えた点が実施例１と異なる。

【0062】

図１４は、実施例２に係る実験系において、磁気メタマテリアル１０に照射される光の方位角θ_ωを変えた結果である。図１４に示すグラフの縦軸は、上から順に、スピン流の大きさのｘ成分及びｙ成分（Ｊ_ｓ，ｘ、Ｊ_ｓ，ｙ）、スピン流の大きさ（｜Ｊ_ｓ｜）、スピン流の生成方向θ_ｓである。図１４に示すグラフの横軸は、方位角θ_ωである。

【0063】

図１４に示すように、方位角θ_ωを変えてもスピン流の大きさ（｜Ｊ_ｓ｜）は変化しなかったが、方位角θ_ωを変えるとスピン流の生成方向θ_ｓが連続的に変化した。当該結果は、関係式（２）及び関係式（３）を示している。関係式（２）によると、スピン流の大きさ（｜Ｊ_ｓ｜）は方位角θ_ωの影響を受けず、実際の実験結果と一致した。また関係式（３）によると、スピン流の生成方向θ_ｓは方位角θ_ωに比例し、実際の実験結果と一致した。

【0064】

（実施例３）
図１５は、実施例３に係る実験系のイメージ図である。実施例３の実験系は、光照射部２０からの光が磁気メタマテリアル１０に照射され、磁気メタマテリアル１０の表面に生じたスピン流を測定系３０で測定するという点は、実施例１の実験系と同じである。一方で、磁気メタマテリアル１０に照射される光の楕円率角ε_ω及び方位角θ_ωを変えた点が実施例１と異なる。楕円率角ε_ω及び方位角θ_ωは、光学素子２２を光路に挿入することで変えた。光学素子２２は、１／４波長板を用いた。また光学素子２２に照射される光の方位角φ_ωも変更した。

【0065】

１／４波長板の回転角αは、０°と４５°のそれぞれで実験した。励起光の楕円率角ε_ω及び方位角θ_ωは、光学素子２２に照射される光の方位角φ_ωと回転角αで決定される。回転角α＝０°の場合は、方位角θ_ωは０°又は９０°となる。楕円率角ε_ωは、－４５°から４５°まで、連続的に変化する。回転角α＝４５°の場合は、方位角θ_ωは４５°又は１３５°となる。楕円率角ε_ωは、－４５°から４５°まで、連続的に変化する。

【0066】

図１６は、実施例３に係る実験系において、光学素子２２に照射される光の方位角φ_ωを変えた際のスピン流の大きさのｘ成分及びｙ成分（Ｊ_ｓ，ｘ、Ｊ_ｓ，ｙ）を測定した結果である。図１６の上図が回転角α＝０°の場合の結果であり、図１６の下図が回転角α＝４５°の場合の結果である。

【0067】

回転角α＝０°の場合は、スピン流の大きさのｘ成分（Ｊ_ｓ，ｘ）は、－ｃｏｓ２φ_ωの関係を示す。回転角α＝０°の場合は、スピン流の大きさのｙ成分（Ｊ_ｓ，ｙ）は、０のまま一定である。また回転角α＝４５°の場合は、スピン流の大きさのｙ成分（Ｊ_ｓ，ｙ）は、－ｓｉｎ２φ_ωの関係を示す。回転角α＝４５°の場合は、スピン流の大きさのｘ成分（Ｊ_ｓ，ｘ）は、０のまま一定である。

【0068】

図１７は、図１６の結果を楕円率角ε_ωとスピン流の大きさ（｜Ｊ_ｓ｜）の関係に置き換えた図である。図１７に示すように、スピン流の大きさは、ｃｏｓ２ε_ωと比例の関係にある。この関係は、関係式（２）と一致する。

【符号の説明】

【0069】

１０…磁気メタマテリアル、１１…基板、１２…垂直磁化膜、１３…単位構造、１４…開口、２０…光照射部、２１…光源、２２…光学素子、３０…測定系、１００…スピン流制御装置

【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】