Magnon-phonon coupling of synthetic antiferromagnets in a surface acoustic wave cavity resonator

技術要約：SAW共振器内における合成反強磁性体のマグノン・フォノン結合

問題提起
フォノンとマグノンの相互作用は、量子技術の進展および結合メカニズムの理解において極めて重要な研究領域である。強力なマグノン・フォノン結合を実現するには、表面弾性波（SAW）とマグノンの共鳴周波数を一致させる必要があるが、強磁性薄膜においては重大な課題が存在する。通常、このような薄膜におけるマグノン共鳴周波数は数GHzの範囲にあるのに対し、SAWはしばしばより低い周波数（約1 GHz）で励起される。周波数を一致させるために、研究者たちは歴史的にニッケル（Ni）のような低磁化材料を使用してきた。しかし、Niにおいてさえ、これらの周波数を一致させるために必要な磁場は小さいことが多く、それがマルチドメイン形成を招き、マグノンのコヒーレントな励起を妨げる。さらに、SAW共面共振器の品質係数（Q値）は、高周波数において低下する傾向がある。したがって、大きな飽和磁化を持つ材料を用いながら、コヒーレントな励起条件を維持しつつ、マグノン・フォノン結合を研究できるシステムが必要とされている。

手法
著者らは、CoFeB/Ru/CoFeB三層構造からなる合成反強磁性体（SAF）を用い、これをCoFeB単層のリファレンス膜と比較することで、マグノン・フォノン結合を調査した。実験セットアップには、圧電性のY+128°-cut $\text{LiNbO}_3$基板上に作製されたSAW共振器を用いた。デバイスは、SAWを閉じ込めるためのTi/Au製のインターディジタル・トランスデューサ（IDT）およびブラッグ反射鏡を備えており、室温で$10^3$を超える品質係数を持つ共振器を構成している。

SAF構造は、Ta(3)/Ru(3)/CoFeB(5)/Ru(0.53)/CoFeB(5)/Ru(3)（厚さはnm単位）で構成され、リファレンス試料は10 nm厚のCoFeB単層である。研究者らは、ベクトルネットワークアナライザ（VNA）を用いてデバイスの散乱行列（$S_{ij}$）を測定した。様々な角度（$\phi_H$）で面内外部磁場（$H_{ext}$）を印加することにより、磁化方向とマグノン共鳴周波数を変調させた。透過スペクトル（$|S_{21}|^2$）を解析し、マグノン周波数がSAW共振周波数（約1.8 GHz）に接近する際の、振幅、共鳴周波数、およびスペクトル線幅（$\kappa_a$）の変化を観察した。

主要な貢献および結果

1. 優れたプラットフォームとしてのSAF： 本研究は、SAF構造が単層の強磁性層と比較して、音響マグノン共鳴周波数を大幅に低下させることを示している。このシフトにより、マグノンとSAWの共鳴周波数が、マルチドメイン形成が抑制される十分な大きさの外部磁場（$\mu_0 H_{res} \approx 16.7$ mT）において一致することが可能となり、コヒーレントなマグノン励起が可能となる。対照的に、CoFeB単層膜では、共鳴磁場がゼロ付近であるため、ドメイン形成による不コヒーレントな励起が生じ、同様の条件下でもSAWスペクトルへの変化は無視できる程度であった。
2. スペクトル線幅の変調： SAF内の音響マグノンが共鳴付近で励起された際、研究者らはSAW共振器の透過スペクトルにおける明確な変化を観察した。具体的には、共鳴磁場において、透過振幅（$A_a$）が減少し、共鳴周波数（$\omega_a$）がシフトし、スペクトル線幅（$\kappa_a$）が著しく広がった。これらの変化は、単層のリファレンス試料では最小限であった。
3. 定量的結合強度： 共鳴時と非共鳴時のスペクトル線幅の差を分析し、ランダウ＝リフシッツ＝ギルバート（LLG）方程式および弾性波方程式に基づくマクロスピン近似モデルを利用することで、結合を定量化した。
   • マグノン・フォノン結合定数（$g$）は、SAW共鳴周波数1.8 GHzにおいて$\sim 15.6$ MHzと推定された。
   • 対応するマグノメカニカル・コオペラティビティ（$C$）は、$\sim 0.66$と算出された。
4. 角度依存性： コオペラティビティ $C$ は磁場角度（$\phi_H$）に強い依存性を示し、$60^\circ$および$120^\circ$で最大となった。著者らは、これをCoFeB層における一軸磁気異方性（おそらく形状異方性）の存在に帰属させており、これが磁化と歪み場の相対角に影響を与える。一軸異方性を仮定した数値計算は、これらの実験的観察結果とよく一致した。

意義
本論文は、合成反強磁性体がSAW共振器におけるマグノン・フォノン結合を研究するための理想的なプラットフォームであることを主張している。低磁場におけるマルチドメイン形成という単層強磁性膜の限界を克服することで、SAF構造は、大きな飽和磁化と潜在的に低い磁気減衰を持つ材料の探索を可能にする。マクロスピンモデルを用いた実験結果の定量的再現と、Ni膜における先行報告と同等またはそれを上回る結合定数の抽出は、SAFがオンチップ・キャビティ・マグノメカニクスにとって実行可能かつ効果的な媒体であることを示唆している。本研究は、低磁化材料の制約を受けることなく、強力なマグノン・フォノン相互作用を利用する量子技術の開発に向けた基礎を築くものである。