[論文レビュー] Spin-Wave Optical Elements: Towards Spin-Wave Fourier Optics

Marc Vogel, B. Hillebrands+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2019

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 33被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、磁性薄膜における勾配屈折率（GRIN）レンズを用いたスピン波フォーリエ光学の実現を示している。これは、スピン波伝搬における強い異方性にもかかわらず、スピン波ビームの集光およびフォーリエ変換を可能にする。MuMax3を用いたマイクロ磁気シミュレーションにより、アキソンを介したベッセル-ガウスビームの励起が可能であり、熱勾配を用いて設計されたGRINレンズが、スピン波の集光と14.4倍の強度増幅を実現することが示された。これにより、リアルタイムでのスピン波ベースの信号処理および磁性系における光学的制御が可能になる。

ABSTRACT

We perform micromagnetic simulations to investigate the propagation of spin-wave beams through spin-wave optical elements. Despite spin-wave propagation in magnetic media being strongly anisotropic, we use axicons to excite spinwave Bessel-Gaussian beams and gradient-index lenses to focus spin waves in analogy to conventional optics with light in isotropic media. Moreover, we demonstrate spin-wave Fourier optics using gradient-index lenses. These results contribute to the growing field of spin-wave optics.

研究の動機と目的

• スピン波分散が磁界の向きに強く依存する異方性磁性媒体において、フォーリエ光学の原則をスピン波に拡張すること。
• スピン波が面内磁化系において異方的伝搬を示すにもかかわらず、ビーム形状やレンズ効果といった光学的概念が適応可能かどうかを調査すること。
• GRINレンズを用いたスピン波フォーリエ光学の実現可能性を示し、スピン波干渉を用いたリアルタイム信号処理および画像再構成を可能にすること。
• 熱勾配を用いて、スピン波伝搬および集光を制御可能な可変的磁性屈折率プロファイルを生成する手法の検討

提案手法

• 実際の材料パラメータを用いた長方形グリッド上でLandau-Lifshitz-Gilbert方程式を解くために、オープンソースソフトウェアMuMax3を用いたマイクロ磁気シミュレーション。
• ガウスビームおよびベッセル-ガウスビームを生成するため、狭窄したマイクロストリップアンテナを用いたスピン波ビームの励起。光学的ビーム投入を模倣する。
• 放物型温度プロファイルを用いてGRINレンズを設計し、空間的に変化する磁性屈折率を誘導。$ \Delta T $ がレンズの強度を制御する。
• アキソンを用いて励起パターンを整形することで、光学的アキソンに類似したベッセル-ガウススピン波ビームを生成。
• 2つのGRINレンズを用いた4f光学系を実装し、スピン波場のフォーリエ変換を実現。フォーリエ平面では空間周波数スペクトルが捉えられる。
• 増幅係数（振幅および強度）と $ \Delta T $ に依存する作動距離の定量的分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い分散異方性があるにもかかわらず、異方性磁性媒体においてアキソンを用いてベッセル-ガウススピン波ビームを励起できるか？
• RQ2 熱勾配に基づくGRINレンズが、フォワードボリューム、バックワードボリューム、表面スピン波モードにおいて、スピン波を効果的に集光できるか？
• RQ3 GRINレンズがスピン波場のフォーリエ変換をどの程度効果的に行えるか。これによりリアルタイム信号処理が可能になるか？
• RQ4 スピン波系におけるレンズ効果およびビーム制御を可能にする、$ \omega(k) $ から導出される磁性屈折率プロファイルの役割は何か？
• RQ5 GRINレンズにおける集光効率および作動距離が、温度勾配 $ \Delta T $ にどのように依存するか？

主な発見

• スピン波振幅の最大増幅係数は3.8に達し、強度の増幅係数は14.4に達する。これによりGRINレンズの強力な集光能力が実証された。
• GRINレンズの作動距離は温度差 $ \Delta T $ に反比例し、$ s_{\text{GRIN}} \propto 1/\Delta T $ と確認された。$ R^2 > 0.97 $ のフィットが得られた。
• アキソンを用いたベッセル-ガウススピン波ビームの励起に成功。磁性膜内での非回折的ビーム伝搬が可能になった。
• 2つのGRINレンズを用いた4fセットアップによりスピン波フォーリエ光学が実現。7本線グレーティングが像平面で7つの明著な焦点に再構成された。
• フォーリエ平面には、グレーティングの空間周波数成分に対応する顕著な側峰が観測され、入力場のフォーリエ変換が確認された。
• FVMSW、BVMSW、MSSWの異なるスピン波モードにおいても結果が有効であり、強い異方性にもかかわらず、本手法の一般性が示された。