(57)【要約】【課題】  試料にポンプ光線が照射され誘起されたスピン波の初期位相を制御するスピン波の誘起・初期位相制御システム及び方法を提供する。【解決手段】  光源３と、光源３から出射されたポンプ光線の偏光方位角φを回転可能な偏光方位角回転装置４と、ポンプ光線が偏光方位角回転装置４を通過していく光路上に配置されると共にスピン波を誘起可能な試料２とを備え、ポンプ光線が試料２に向けて照射されることにより試料２中にスピン波が誘起され、所定の式に基づいて、偏光方位角回転装置４でポンプ光線の偏光方位角φを変化させることにより、誘起されたスピン波の初期位相Ｃを制御することを特徴とする。【選択図】図２
2015015340.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源から出射されたポンプ光線の偏光方位角を回転可能な偏光方位角回転手段と、
前記ポンプ光線が前記偏光方位角回転手段を通過していく光路上に配置されると共にスピン波を誘起可能な媒体とを備え、
前記ポンプ光線が前記媒体に向けて照射されることにより当該媒体中に前記スピン波が誘起され、下記（１）式に基づいて、前記偏光方位角回転手段で前記ポンプ光線の偏光方位角を変化させることにより、誘起された前記スピン波の初期位相を制御すること
を特徴とするスピン波誘起・初期位相制御システム。
【数１】
2015015340.tif 000024
【請求項２】
前記光源が出射する前記ポンプ光線は、直線偏光であること
を特徴とする請求項１記載のスピン波誘起・初期位相制御システム。
【請求項３】
Ｎ本のポンプ光線が前記媒体に向けて照射されて、当該媒体中に誘起されたＮ個のスピン波が伝播して互いに干渉することにより合成スピン波が誘起され、
請求項１記載のスピン波誘起・初期位相制御システムにおける前記偏光方位角回転手段で当該Ｎ本のポンプ光線の前記偏光方位角を変化させ、当該Ｎ個のスピン波のそれぞれの前記初期位相を変化させることにより、下記（２）式に基づいて、前記合成スピン波の関数を制御すること
を特徴とするスピン波誘起・伝播制御システム。
【数２】
2015015340.tif 000025
【請求項４】
前記光源が出射する前記ポンプ光線は、直線偏光であること
を特徴とする請求項３記載のスピン波誘起・伝播制御システム。
【請求項５】
光源から出射されたポンプ光線を、前記ポンプ光線の偏光方位角を回転する偏光方位角回転手段を介して媒体に照射して、当該媒体中にスピン波を誘起する第１工程と、
下記（１）に基づいて、前記偏光方位角回転手段で前記ポンプ光線の偏光方位角を変化させることにより、前記スピン波の初期位相を制御する第２工程とを有する
ことを特徴とするスピン波誘起・初期位相制御方法。
【数３】
2015015340.tif 000026
【請求項６】
前記光源が出射する前記ポンプ光線は、直線偏光であること
を特徴とする請求項５記載のスピン波誘起・初期位相制御方法。
【請求項７】
光源から出射されたＮ本のポンプ光線を、ポンプ光線の偏光方位角を回転する偏光方位角回転手段を介して媒体に照射して、当該媒体中にＮ個のスピン波を誘起し干渉させて合成スピン波を誘起する第１工程と、
請求項５記載のスピン波誘起・初期位相制御方法における前記偏光方位角回転手段で当該Ｎ本のポンプ光線の前記偏光方位角を変化させ、当該Ｎ個のスピン波のそれぞれの前記初期位相を変化させることにより、下記（２）式に基づいて、前記合成スピン波の関数を制御する第２工程とを有すること
を特徴とするスピン波の誘起・伝播制御方法。
【数４】
2015015340.tif 000027
【請求項８】
前記光源が出射する前記ポンプ光線は、直線偏光であること
を特徴とする請求項７記載のスピン波誘起・伝播制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光パルス照射による好適なスピン波の誘起・初期位相制御システム及び方法、スピン波の誘起・伝播制御システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現代の情報社会を支えるエレクトロニクスの分野では、電子の持つ電荷の自由度やその電荷の流れである電流が情報を担ってきた。しかし、電気を流すと生じるジュール熱による影響があるため、情報デバイスの高密度化は、限界に達しつつある。
【０００３】
そうした中、近年、電子が持つもう一つの自由度である電子スピン（以下、「スピン」という。）を積極的に利用するスピントロニクスという分野が立ち上がり、次世代の情報社会を支える技術として世界で研究開発が進んでいる。
【０００４】
エレクトロニクスの分野では、電子が持っている電荷がそのまま情報となっていたが、このスピントロニクスの分野では、電子の持っているスピンの向きが一つの情報となり、例えば上向きのスピンを「１」、下向きのスピンを「０」とする情報の伝達が想定されている。
【０００５】
図２１に示すように、一つのスピンの回転軸が円を描くように揺れる現象を歳差運動と呼ぶ。このスピンが歳差運動を始めると、スピン間の相互作用によって、例えば、Ａ点にある一つのスピンの周囲にあるＡ点以外のスピンも同じ周波数で歳差運動を始める。ここで、互いに隣り合うスピン同士が、その間で位相のずれを持ちながら歳差運動をするとき、有限の長さを持った波となり、この波はスピン波と呼ばれている。このスピン波は、電流と異なりジュール熱が生じないことから、新しい情報デバイスへの応用が期待されている。そして、図２１に示す場合では、このＡ点からＢ点までの長さをスピン波の波長と呼ぶ。
【０００６】
従来のスピン波に関する技術としては、約１００フェムト秒のパルス幅を持つ円偏光パルスを磁性体に集光することで逆ファラデー効果を利用してスピン波を誘起することが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００７】
非特許文献１に開示された技術は、試料に照射されるポンプ光線に対するプローブ光線の相対的位置を磁場と同じ方向に徐々にずらしていくことによって、スピン歳差運動の時間空間分解測定を可能としている。このポンプ光線とは、物質を励起する光であり、プローブ光線とは、物質を励起せずに情報を読み取るための光である。このポンプ・プローブ法によるスピン波の空間伝播の観測結果によると、ポンプ光線のスポットとプローブ光線のスポットの距離を、１００μｍ、２００μｍ、３００μｍと順番にずらしていくことにより、スピン歳差運動が生じるタイミングが徐々にずれていき、スピン波の波束が伝播していく様子がわかる。
【０００８】
また同様に、ポンプ・プローブ法によるスピン波の空間伝播実験の結果、媒体表面でのポンプ光線のスポット形状を変えることで、スピン波が異方的に伝播する様子が明瞭に示された。この結果は、スピン波の分散関係を用いた数値計算によっても再現されている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００９】
更に、媒体にポンプ光線を照射することによりスピン波を誘起するとともに、ポンプ光線のスポット形状を変えることでスピン波の関数を制御するスピン波の誘起・伝播制御システム及び波動の誘起・伝播制御方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特願２０１２−２０３６９３号
【特許文献２】米国特許第４９１２４７８号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】照井勇輝他、希土類鉄ガーネットにおける光誘起スピンダイナミクス、日本物理学会講演概要集第６６巻第１号（第６６回年次大会）第４分冊、７５１頁、２０１１年３月３日発行
【非特許文献２】照井勇輝他、円偏光パルスの成形によるスピン波の波数分布制御、第５９回応用物理学関係連合講演会  講演予稿集、１０−０７６頁、２０１２年２月２９日発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
非特許文献１の開示技術では、誘起されたスピン波が周囲に伝播していることが示されている。また非特許文献２及び特許文献１の開示技術では、ポンプ光線のスポット形状を変えることでスピン波が異方的に伝播することが示されている。この非特許文献２及び特許文献１の開示技術では、ポンプ光線のスポット形状を変更することでスピン波の関数を制御することができるものの、いずれもポンプ光偏光が左回りまたは右回りの円偏光であるため、スピン歳差運動の初期位相はヘリシティに応じて０かπの２種類しかなく、初期位相の連続的な制御をすることができないという問題点があった。
【００１３】
また特許文献１の開示技術では、ポンプ光線のスポットの空間分布を変化させることで、スピン波の伝播方向を制御可能としていたが、ポンプ光線のスポットが当てられるスペースに制限がある場合には、ポンプ光線のスポットの空間分布を変化することができない恐れがあるという問題点があった。
【００１４】
また円偏光でなく直線偏光のポンプ光線を媒体に照射した場合のスピン波の伝播状態やスピン波の伝播制御についての開示技術は存在しない。
【００１５】
更に、フェーズドアレイレーダーなどで電波や音波の位相を制御することにより、電波や音波の伝播方向を変化させることは、一般的によく知られている。また従来からマイクロストリップアンテナによりスピン波を誘起させ、複数のスピン波を干渉させて合成された合成スピン波を誘起し、この合成スピン波の伝播方向を各スピン波の初期位相を変化させることにより制御することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、特許文献２の開示技術は、マイクロストリップアンテナによるスピン波の誘起方法であり、スピン波を超高速かつ非接触に誘起ができないという問題点があった。また特許文献２の開示技術では、スピン波が誘起される媒体の微細加工も必要となるため、スピン波の誘起方法として設計の自由度が低く、スピン波の伝播制御は難しいという問題点があった。
【００１６】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、媒体にポンプ光線が照射され誘起されたスピン波の初期位相を制御するスピン波の誘起・初期位相制御システム及び方法を提供することにある。更に、複数のポンプ光線が媒体に照射されて形成されたポンプ光線のスポットに誘起された複数のスピン波を干渉させて合成された合成スピン波を誘起し、合成スピン波の伝播方向を制御可能とするスピン波の誘起・伝播制御システム及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記課題を解決するために、本発明に係るスピン波の誘起・初期位相制御システム及び方法、スピン波の誘起・伝播制御システム及び方法は、次のように構成する。
【００１８】
本願第１の発明は、スピン波の誘起・初期位相制御システムであって、光源と、光源から出射されたポンプ光線の偏光方位角を回転可能な偏光方位角回転手段と、ポンプ光線が偏光方位角回転手段を通過していく光路上に配置されると共にスピン波を誘起可能な媒体とを備え、ポンプ光線が媒体に向けて照射されることにより当該媒体中にスピン波が誘起され、下記（１）式に基づいて、偏光方位角回転手段でポンプ光線の偏光方位角を変化させることにより、誘起されたスピン波の初期位相を制御することを特徴とする。
【００１９】
【数１】
2015015340.tif 000003
【００２０】
本願第２の発明は、第１の発明において、光源が出射するポンプ光線は、直線偏光であることを特徴とする。
【００２１】
本願第３の発明は、スピン波の誘起・伝播制御システムであって、Ｎ本のポンプ光線が媒体に向けて照射されて、当該媒体中に誘起されたＮ個のスピン波が伝播して互いに干渉することにより合成スピン波が誘起され、請求項１記載のスピン波誘起・初期位相制御システムにおける偏光方位角回転手段で当該Ｎ本のポンプ光線の偏光方位角を変化させ、当該Ｎ個のスピン波のそれぞれの初期位相を変化させることにより、下記（２）式に基づいて、合成スピン波の関数を制御することを特徴とする。
【００２２】
【数２】
2015015340.tif 000004
【００２３】
本願第４の発明は、第３の発明において、光源が出射するポンプ光線は、直線偏光であることを特徴とする。
【００２４】
本願第５の発明は、スピン波の誘起・初期位相制御方法であって、光源から出射されたポンプ光線を、ポンプ光線の偏光方位角を回転する偏光方位角回転手段を介して媒体に照射して、当該媒体中にスピン波を誘起する第１工程と、下記（１）式に基づいて、偏光方位角回転手段でポンプ光線の偏光方位角を変化させることにより、スピン波の初期位相を制御する第２工程とを有することを特徴とする。
【００２５】
【数３】
2015015340.tif 000005
【００２６】
本願第６の発明は、第５の発明において、光源が出射するポンプ光線は、直線偏光であることを特徴とする。
【００２７】
本願第７の発明は、スピン波の誘起・伝播制御方法であって、光源から出射されたＮ本のポンプ光線を、ポンプ光線の偏光方位角を回転する偏光方位角回転手段を介して媒体に照射して、当該媒体中にＮ個のスピン波を誘起し干渉させて合成スピン波を誘起する第１工程と、本願第５の発明記載のスピン波誘起・初期位相制御方法における偏光方位角回転手段で当該Ｎ本のポンプ光線の偏光方位角を変化させ、当該Ｎ個のスピン波のそれぞれの初期位相を変化させることにより、下記（２）式に基づいて、合成スピン波の関数を制御する第２工程とを有することを特徴とする。
【００２８】
【数４】
2015015340.tif 000006
【００２９】
本願第８の発明は、第７の発明において、光源が出射するポンプ光線は、直線偏光であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本願第１、５の発明によれば、偏光方位角回転手段によりポンプ光線の偏光方位角を変化させることにより、（１）式のモデルに基づいてスピン波の初期位相を制御することができる。
【００３１】
本願第３、７の発明によれば、Ｎ個のポンプ光線のスポットから誘起されたＮ個のスピン波が互いに干渉することにより合成された合成スピン波を誘起し、本願第１の発明のように、Ｎ個のスピン波の初期位相をそれぞれ変化させて、（２）式のモデルに基づいて当該合成スピン波の関数を制御する。これにより、Ｎ個のスピン波のそれぞれの初期位相の制御により、所望の合成スピン波の関数を得ることができる。また（２）式により、試料の特性は、スピン波の角周波数の分散関係とスピン波の緩和係数に基づくため、事前に試料の特性を数値計算により予測することができ、所望の合成スピン波を誘起するための試料の選定又は所望の試料の合成が可能となる。
【００３２】
また本願第３、７の発明によれば、初期位相の制御によりスピン波の伝播方向を制御するフェーズドアレイの技術を合成スピン波の伝播方向制御に応用する際には、Ｎ本のポンプ光線の照射タイミングに遅延時間を設けることなく、Ｎ個のポンプ光線のスポットに誘起されたＮ個のそれぞれのスピン波の初期位相を変化させることが可能となる。これにより、ポンプ光線の遅延時間を設けるためのポンプ光線の伝播空間を確保する必要がなくなるため、デバイスの小型化が可能となる。
【００３３】
また本願第２、４、６、８の発明によれば、ポンプ光線の偏光が直線偏光であるため、ポンプ光線の偏光方位角を連続的に変化させることが可能となり、当該偏光方位角の連続的な変化に応じて初期位相を連続的に変化させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明を適用したポンプ・プローブ法によるスピン波の誘起・初期位相制御装置の構成を示した模式図である。
【図２】本発明を適用した図１に示すスピン波の誘起・初期位相制御装置の主要な構成要素を抽出したスピン波の誘起・初期位相制御システムの概念図である。
【図３】試料に外部磁場を与えた際の試料中の初期磁場と初期スピンの状態を示した概念図である。
【図４】光源から出射されたポンプ光線を試料に照射した際に、合成磁場とスピンの方向が、それぞれ初期磁場と初期スピンから変化した状態を示した概念図である。
【図５】ポンプ光線を試料に照射した後に、合成磁場のまわりをスピンが歳差運動を行っている状態を示した概念図である。
【図６】偏光方位角回転手段により、ポンプ光線の偏光方位角が変化した状態を示した概念図である。
【図７】図５のスピンが歳差運動を行うことにより誘起されたスピン波が周囲に伝播する様子をプローブ光線により検出している状態を示した概念図である。
【図８】ポンプ・プローブ法により観測した、ポンプ光線が試料に照射されて誘起されたスピン歳差運動の時間的な変化をポンプ光線の偏光方位角ごとに示した図である。
【図９】図８の実験グラフのうち、ポンプ光線の偏光方位角が−６０°の場合を抽出して、そのグラフをフィッティングさせた数値解析結果を示した図である。
【図１０】（ａ）は、ポンプ光線の偏光方位角と、プローブ光線の偏光方位回転角の振動振幅の関係を表した実験結果を示した図であり、（ｂ）は、ポンプ光線の偏光方位角と、プローブ光線の偏光方位回転角の振動振幅の初期位相の関係を表した実験結果を示した図である。
【図１１】合成磁場のまわりをスピンが歳差運動を行う際のベクトルｕ1、ベクトルｕ2、ベクトルｕ3の関係を示した概念図である。
【図１２】（ａ）は、ポンプ光線の偏光方位角とｕ1zの関係を表した実験結果と数値解析結果を示した図であり、（ｂ）は、ポンプ光線の偏光方位角とｕ2zの関係を表した実験結果と数値解析結果を示した図である。
【図１３】本発明を適用した第２実施形態のポンプ・プローブ法を用いて２個のポンプ光線のスポットによる合成スピン波の誘起・伝播制御装置の構成を示した模式図である。
【図１４】本発明を適用した図１３に示すスピン波の誘起・伝播制御装置の主要な構成要素を抽出したスピン波の誘起・伝播制御システムの概念図である。
【図１５】本発明を適用した第２実施形態のポンプ・プローブ法を用いて試料上にある９個のスピン波が干渉した状態を示した概念図である。
【図１６】（ａ）は１個のポンプ光線のスポットから誘起されたスピン波の３ｎｓ後の振幅マップのシミュレーション結果を示した図であり、（ｂ）は（ａ）の場合のスピン波の位相マップを示した図である。
【図１７】（ａ）は９個のポンプ光線のスポットから誘起されたスピン波の初期位相が全て同位相の場合の３ｎｓ後のスピンの振幅マップのシミュレーション結果を示した図であり、（ｂ）は（ａ）の場合のスピン波の位相マップを示した図である。
【図１８】（ａ）は、９個のポンプ光線のスポットから誘起されたスピン波の初期位相の位相差が６０°の場合の３ｎｓ後のスピン波の振幅マップのシミュレーション結果を示した図であり、（ｂ）は（ａ）の場合のスピン波の位相マップを示した図である。
【図１９】（ａ）は、９個のポンプ光線のスポットから誘起されたスピン波の初期位相Ｃnが、Ｃn＝１５°×（ｎ−４）2（但し、ｎ＝１〜９）の場合の３ｎｓ後のスピン波の振幅マップのシミュレーション結果を示した図であり、（ｂ）は（ａ）の場合のスピン波の位相マップを示した図である。
【図２０】（ａ）は、９個のポンプ光線のスポットから誘起されたスピン波の初期位相Ｃnが、Ｃn＝６０°×（ｎ−４）＋１５°×（ｎ−４）2（但し、ｎ＝１〜９）の場合の３ｎｓ後のスピン波の振幅マップのシミュレーション結果を示した図であり、（ｂ）は（ａ）の場合のスピン波の位相マップを示した図である。
【図２１】有限な波数を持ったスピン波の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
第１実施形態
【００３６】
以下、本発明の実施の形態として、媒体中を伝播するスピン波の初期位相を制御するスピン波誘起・初期位相制御装置１、スピン波誘起・初期位相制御システム１０及びスピン波誘起・初期位相制御方法において、図１、図２を参照しながら詳細に説明する。
【００３７】
図１は、本発明を適用したポンプ・プローブ法によるスピン波の誘起・初期位相制御装置１の構成を示した模式図である。図２は、本発明を適用した図１に示すスピン波の誘起・初期位相制御装置１の主要な構成要素を抽出したスピン波の誘起・初期位相制御システム１０の概念図である。
【００３８】
図１に示すスピン波の誘起・初期位相制御装置１は、平板の試料２の面内方向に電磁石４１により外部磁場を印加することにより試料２中の初期スピンを初期磁場の方向に向けて、試料２の面直方向にポンプ光線を入射し、ポンプ・プローブ法により当該スピンにより生じるスピン波の時間空間分解測定をする装置である。ここで、初期磁場とは、外部磁場と異方性磁場のベクトル和で表される。
【００３９】
スピン波の誘起・初期位相制御装置１は、光源３と、光源３から出射されたポンプ光線を分離するビームスプリッター１１と、このビームスプリッター１１を通過したポンプ光線の光路上に配されるとともにその光線の波長を変換する光パラメトリック増幅器１２と、光パラメトリック増幅器１２によって略直角方向に折り曲げられたポンプ光線の繰り返し周波数の半分の周波数でポンプ光線をチョップするチョッパー１３と、チョッパー１３を通過したポンプ光線を分離するビームスプリッター１４と、分離された一方のポンプ光線の強度を検出する光検出器１５と、分離された他方のポンプ光線を略直角方向に反射させるミラー１６と、ミラー１６で反射されたポンプ光線を直線偏光にする偏光子１８と、通過したポンプ光線の偏光方位角を回転可能とする偏光方位角回転装置４と、この偏光方位角回転装置４を通過したポンプ光線を集光するレンズ５とを備えている。
【００４０】
またこのスピン波の誘起・初期位相制御装置１は、ビームスプリッター１１により略直角方向に折り曲げられて分離されたプローブ光線の光路上に配されたミラー２１と、ミラー２１により略直角方向に折り曲げられたプローブ光線を遅延ステージ側へと導く偏光ビームスプリッター２２と、偏光ビームスプリッター２２からのプローブ光線を直線偏光から円偏光に変換する１／４波長板２３と、１／４波長板２３を通過したプローブ光線をポンプ光線に対して時間遅延をつける遅延ステージ２４と、遅延ステージ２４から戻ってきたプローブ光線が偏光ビームスプリッター２２により略直角方向に折り曲げられ、当該プローブ光線の光路上に配されたＮＤフィルタ２６と、ＮＤフィルタ２６を通過したプローブ光線を試料２側へと反射させるミラー２８と、ミラー２８で反射されたプローブ光線を集光するレンズ５５と、試料２を透過したプローブ光線の偏光方位回転角を測定する偏光方位回転角の測定器６とを備えている。
【００４１】
図２に示すスピン波の誘起・初期位相制御システム１０は、本発明を適用した図１に示すスピン波の誘起・初期位相制御装置１の主要な構成要素を抽出したシステムであり、平板の試料２中のｘ方向に外部磁場を印加することにより試料２中の初期スピンを初期磁場の方向に向けて、試料２のｚ方向にポンプ光線を入射し、ポンプ・プローブ法を用いてスピンにより生じるスピン波の時間空間分解測定を可能とするシステムであって、光源３と、光源３から出射されたポンプ光線を通過させる偏光方位角回転装置４と、偏光方位角回転装置４を通過したポンプ光線を集光するレンズ５と、試料２に照射されたポンプ光線のスポット８内に誘起されポンプ光線のスポット８外に伝播されたスピン波の関数の情報を得るために、何れかの光源（図示省略）から出射されたプローブ光線を試料２に透過させることにより、当該プローブ光線の偏光方位回転角を測定可能とする偏光方位回転角の測定器６とから構成される。
【００４２】
試料２は、例えば、希土類鉄ガーネットのようなフェリ磁性絶縁体である。
【００４３】
電磁石４１は、外部磁場を印加するために用いられる。スピン波の分散関係そのものは印加する外部磁場と異方性磁場のベクトル和として表される初期磁場に依存している。なお、電磁石４１の磁場強度は約１ｋＯｅである。
【００４４】
光源３は、例えば、フェムト秒パルスレーザー光源である。この光源３は、具体的には、中心波長８００ｎｍ、時間幅１５０ｆｓ程度からなる光パルスを１ｋＨｚの繰り返し周波数で生成する、再生増幅チタンサファイアレーザー等を用いるようにしてもよい。この光源３の光のパルスエネルギーは、約１ｍＪである。
【００４５】
ビームスプリッター１１は、光源３から出射された光パルスをポンプ光線とプローブ光線に分離する。ビームスプリッター１１は、この分離された光パルスのうちの約８０％の光パルスをポンプ光線として光パラメトリック増幅器１２側に導き、残りの約２０％の光パルスをプローブ光線として遅延ステージ２４側へと導く。
【００４６】
光パラメトリック増幅器１２は、ポンプ光線の波長を約１２００〜２４００ｎｍに変換する。光線が光パラメトリック増幅器１２を通過すると、例えば波長約１８００ｎｍのアイドラー光と波長約１４００ｎｍのシグナル光との２つの波長が生まれる。そのうちシグナル光だけがチョッパー１３へと導かれる。この光パラメトリック増幅器１２を通過した光線のパルスエネルギーは、約３０μＪである。
【００４７】
チョッパー１３は、光パラメトリック増幅器１２により波長変換されるポンプ光線の繰り返し周波数の半分の周波数で周期的に断続することにより、当該ポンプ光線を周期的にチョッピングする。チョッパー１３は、光反射部と光透過部とが周方向に交互に配された回転ディスクとして構成され、モータの回転駆動によってポンプ光線を周期的に反射させ又は通過させるようにしてもよい。このチョッパー１３を配設する目的は、取得すべき信号のＳＮ比を向上させるためである。チョッパー１３により変調されたポンプ光線は、ビームスプリッター１４に導かれる。
【００４８】
ビームスプリッター１４は、チョッパー１３でチョップされたポンプ光線のうち約９０％の光をそのまま透過させるとともに、残りの約１０％の光を、これと略直角方向に折り曲げて光検出器１５に導く。
【００４９】
光検出器１５は、ポンプ光線の強度をモニタリングすることができる。光パラメトリック増幅器１２から出射されたポンプ光線の繰り返し周波数の半分の周波数として、１ｋＨｚのポンプ光線をチョッパー１３でチョップすると、５００Ｈｚに低下する。この強度を光検出器１５で検出することができる。
【００５０】
ミラー１６は、入射されてくるポンプ光線を略直角方向に反射させることによりその光路を変更する反射板として構成される。この中で、ミラー１６は、ビームスプリッター１４を透過したポンプ光線の光路を略直角方向に折り曲げて試料２側へと導く。
【００５１】
偏光子１８は、ミラー１６で反射されたポンプ光線の偏光を直線偏光にして偏光方位角回転手段４へと導く。
【００５２】
偏光方位角回転装置４は、例えば、１／２波長板で構成される。偏光方位角回転装置４は、ポンプ光線の偏光方位角を自在に回転させることができる。しかし、偏光方位角回転装置４は、これに限定されることなく、ポンプ光線の偏光方位角を自在に回転させることができれば、例えば、空間光位相変調器といったものでもよい。
【００５３】
レンズ５は、ポンプ光線を試料２に集光する。ポンプ光線は、このレンズ５により直径約５０μｍに絞られて試料２に到達する。
【００５４】
ミラー２１、２８は、入射されてくるプローブ光線を反射させることによりその光路を変更する反射板として構成される。ミラー２１は、ビームスプリッター１１を透過したプローブ光線を略直角方向に反射させて遅延ステージ２４側へ導く。ミラー２８は、この偏光ビームスプリッター２２により折り曲げられて到達するプローブ光線を試料２側へと反射させる。
【００５５】
偏光ビームスプリッター２２は、プローブ光線におけるＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する。
【００５６】
１／４波長板２３は、この光学軸をプローブ光線の直線偏光の面に対してプラス４５°又はマイナス４５°に傾けると、プローブ光線の直線偏光は、それぞれ右回り又は左回りの円偏光とすることができる。
【００５７】
遅延ステージ２４は、可動ミラー２５と固定ミラー２７によるプローブ光路長の調整のために利用される。可動ミラー２５は図１中の右方に移動したときプローブ光路長が長く、また図１中の左方に移動したときプローブ光路長が短く調整されることになる。従って、遅延ステージ２４は、可動ミラー２５の移動により、ポンプ光パルスとプローブ光パルスとの遅延時間を調整することが可能となる。また固定ミラー２７は、可動ミラー２５から垂直に入射したプローブ光線を垂直に反射させることで、入射光の光路上に正確に反射光を戻すことができる。ここで、プローブ光路長の可変範囲は、一般的には、９０ｃｍ程度であり、プローブ光パルスとポンプ光パルスとの間に、０〜３ｎｓの遅延時間の設定範囲を与えることになる。
【００５８】
なお、遅延ステージ２４は、プローブ光線の光路を調整することにより時間遅延させる場合を例にとり説明したが、これに限定されるものではなく、ポンプ光線の光路上に設けるようにしてもよい。これにより、ポンプ光線の光路を調整することにより時間を遅延させることも可能となる。
【００５９】
ここで、光源３を出射されたプローブ光線は、Ｐ偏光のままミラー２１を反射され、偏光ビームスプリッター２２を透過して１／４波長板２３に到達する。このＰ偏光は、１／４波長板２３により左回りの円偏光に変換される。この左回り円偏光は、遅延ステージ２４の可動ミラー２５及び固定ミラー２７で反射されると右回りの円偏光に変換される。この右回りの円偏光が、一度通過した１／４波長板２３を再度通過すると、Ｓ偏光に変換される。Ｓ偏光は、偏光ビームスプリッター２２により略直角方向に反射されてミラー２８側に導かれる。
【００６０】
ＮＤフィルタ２６は、プローブ光線の強度調整を行う。試料２に照射されるプローブ光線の強度が強過ぎる場合は、試料２を損傷する可能性があり、弱過ぎる場合は、プローブ光線の信号が見えなくなる。このため、このＮＤフィルタ２６によりプローブ光線の強度調整を行う必要がある。
【００６１】
このＮＤフィルタ２６を通過後、プローブ光線の強度は、更に低下し、試料２に照射される直前には、ポンプ光線とプローブ光線との強度比は、約１０００：１までに達する。このようにプローブ光線の強度をポンプ光線の強度よりも非常に小さくすることで、試料２中に誘起されるスピン波のプローブ光線による影響を小さく抑えることができる。
【００６２】
レンズ５５は、ミラー２８で反射されたプローブ光線を集光するとともに、集光したプローブ光線を、試料２の表面に対して、試料２の法線の７°方向から照射する。
【００６３】
偏光方位回転角の測定器６は、ウォラストンプリズム３３と、光検出器３４と、光検出器３５とを備える。
【００６４】
ウォラストンプリズム３３は、入射したプローブ光線を２つの直交した直線偏光に分離する。ここで、ポンプ光線を試料２に照射しない場合は、ウォラストンプリズム３３に垂直に入射したプローブ光線の偏光面に対して、プラス４５°とマイナス４５°の直交した同じ強度の直線偏光に分離する。しかし、ポンプ光線を試料２に照射する場合は、スピン波の誘起によってプローブ光線にファラデー回転が起きる。これにより、ウォラストンプリズム３３に垂直に入射したプローブ光線のプラス４５°とマイナス４５°に分離したプローブ光線の強度が異なる結果となる。
【００６５】
光検出器３４、３５は、ウォラストンプリズム３３で２つに分離されたプローブ光線の強度をそれぞれ測定する。光検出器３４と光検出器３５で検出されたプローブ光線の強度の差分をとることでプローブ光線の偏光方位回転角を測定し、試料２中を伝播したスピン波の関数の面直方向の情報を得ることができる。
【００６６】
ポンプ光線は、繰り返し周波数約５００Ｈｚであり、その強度は、光検出器１５で検出される。また試料２を透過したプローブ光線は、約１ｋＨｚであり、その強度は、光検出器３４と、光検出器３５で検出される。この光検出器１５、３４、３５で検出されたそれぞれの強度を比較することで、ポンプ光線のＯＮとＯＦＦを区別することができる。
【００６７】
次に、本発明を適用した試料２中を伝播するスピン波の誘起・初期位相制御装置１及びスピン波の誘起・初期位相制御システム１０におけるスピン波の誘起・初期位相制御方法について、図１〜７を参照しながら詳細に説明する。
【００６８】
図３は、試料２に外部磁場を与えた際の試料２中の初期磁場Ｈ0と初期スピンＭ0の状態を示した概念図である。図４は、光源から出射されたポンプ光線を試料２に照射した際に、合成磁場ＨとスピンＭの方向が、それぞれ初期磁場Ｈ0と初期スピンＭ0から変化した状態を示した概念図である。図５は、ポンプ光線を試料２に照射した後に、合成磁場ＨのまわりをスピンＭが歳差運動を行っている状態を示した概念図である。図６は、偏光方位角回転装置４により、ポンプ光線の偏光方位角φが変化した状態を示した概念図である。図７は、図５のスピンＭが歳差運動を行うことにより誘起されたスピン波が周囲に伝播する様子をプローブ光線により検出している状態を示した概念図である。
【００６９】
まず、図２〜７を参照しながら、スピン波の誘起・初期位相制御システム１０におけるスピン波の誘起・伝播制御方法について説明する。
【００７０】
まず図３に示す試料２のｘ方向に外部磁場を与えることで、外部磁場と異方性磁場のベクトル和として初期磁場Ｈ0が生じて、初期磁場Ｈ0の向きに初期スピンＭ0の向きが揃えられる。次に図４に示す光源３から出射されたポンプ光線を偏光方位角回転装置４を介して、当該ポンプ光線をレンズ５により集光させて試料２に照射する。このとき、図４に示す初期磁場Ｈ0と磁気異方性変調により生じた磁場ΔＨのベクトル和が合成磁場Ｈである。
【００７１】
更に初期磁場Ｈ0と同じ向きであった初期スピンＭ0と逆コットン・ムートン効果により生じたスピン変調ΔＭとのベクトル和がスピンＭである。図５に示すようにこの合成磁場Ｈの周囲をスピンＭが回転して歳差運動を始める。このスピンＭの歳差運動がポンプ光線のスポット８内だけでなくポンプ光線のスポット８外にも伝播して、ポンプ光線のスポット８外でもスピンＭの歳差運動が始まり、スピン波が誘起される。
【００７２】
次に図６に示す偏光方位角回転装置４に入射するポンプ光線である直線偏光Ｌ1の偏光方位角φ1から直線偏光Ｌ2の偏光方位角φ2まで偏光方位角φ1と偏光方位角φ2の差分θだけ変化させる。これにより、試料２に照射されたポンプ光線のスポット８に誘起されたスピン波の初期位相を変化させる。
【００７３】
更に、図７に示すようにプローブ光線を試料２に照射して透過させ、その透過したプローブ光線の偏光方位回転角を偏光方位回転角の測定器６により検出し、試料２中を伝播するスピン波の関数の情報を得る。
【００７４】
次に、図１を参照しながら、スピン波の誘起・初期位相制御装置１を用いて行われるスピン波の誘起・初期位相制御方法について説明する。
【００７５】
このスピン波の誘起・初期位相制御装置１においては、ポンプ・プローブ法によりプローブ光線の光路途中に置かれた遅延ステージ２４の可動ミラー２５を物理的に移動させることによりプローブ光路長を変更して、ポンプ光線との間の遅延時間を調整する。
【００７６】
ポンプ光線は、チョッパー１３によりチョッピングされた後に試料２に照射される。このポンプ光線の照射により、試料２中のポンプ光線のスポット８内にスピン波が誘起され、そのスピン波が当該ポンプ光線のスポット８外に伝播することになる。
【００７７】
またプローブ光線は、試料２に対して試料２の法線の７°方向から入射され、偏光方位回転角の測定器６でプローブ光線の偏光方位回転角が測定され、伝播するスピン波の関数の情報が分析される。ここで、偏光方位角回転装置４で試料２中に照射されるポンプ光線の偏光方位角を回転することにより、試料２中のポンプ光線のスポット８に誘起されるスピン波の初期位相が変化する。ポンプ光線とプローブ光線とは、遅延ステージ２４による遅延時間をずらし、ポンプ光線に対するプローブ光線の相対的な２次元位置をずらしていくことで、スピン波の時間空間分解が可能となり、時間空間的なスピン波の関数の情報を得ることができる。
【００７８】
なお、スピン波の誘起・初期位相制御装置１及びスピン波の誘起・初期位相制御システム１０で使用されるプローブ光線は、ポンプ光線により誘起され伝播されるスピン波の情報を検出するための一つの手段である。従って、スピン波の情報を検出できれば、プローブ光線に限定されることなく、いかなる手段であってもよい。
【００７９】
次に本発明を適用した図１に示されたスピン波の誘起・初期位相制御装置１によるポンプ・プローブ法による実験結果を示し、その数値計算モデルについて説明する。
【００８０】
図８は、ポンプ・プローブ法により観測した、ポンプ光線が試料２に照射されて誘起されたスピン歳差運動の時間的な変化をポンプ光線の偏光方位角ごとに示した図である。図８は、ポンプ光線に対するプローブ光線の遅延時間を横軸にとり、ポンプ光線の図６の外部磁場と同じ向きであるｘ方向からの角度である偏光方位角φを−９０°、−６０°、−３０°、０°、３０°、６０°、９０°とした時のプローブ光線の偏光方位回転角を縦軸としてプロットし、それぞれグラフｇ１〜ｇ７に示した実験結果である。この図８に示すピークＰが、Ｐ1からＰ7まで変化している。これにより、直線偏光でポンプした時にガーネットにスピン歳差運動が誘起されることが示された。またポンプ光線の偏光方位角φの変化によりスピン波の初期位相Ｃが変化することが実証された。
【００８１】
図９は、図８の実験グラフのうち、ポンプ光線の偏光方位角が−６０°の場合を抽出して、そのグラフをフィッティングさせた数値解析結果を示した図である。図９のフィッティングさせた数値解析結果は、式（３）で表すことができる。なお、図９に示す縦軸のプローブ光線の偏光方位回転角の単位は、図８に示す縦軸のプローブ光線の偏光方位回転角の単位をオフセットしたものである。
【００８２】
【数５】
2015015340.tif 000007
【００８３】
この式（３）のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅは、フィッティングパラメータである。このうち、特にＡは振動振幅を表し、Ｂは緩和時間を表し、Ｃは初期位相を表している。
【００８４】
図１０（ａ）は、ポンプ光線の偏光方位角φとプローブ光線の偏光方位回転角の振動振幅Ａの関係を表した実験結果を示した図である。図１０（ｂ）は、ポンプ光線の偏光方位角φとプローブ光線の偏光方位回転角の振動の初期位相Ｃの関係を表した実験結果を示した図である。図１０（ａ）（ｂ）は、図９で示したグラフｇ６のフィッティングを、他のグラフｇ１〜ｇ５、ｇ７も含めて、更に細かく複数の偏光方位角φを設定している。更に式（３）を適用して、その偏光方位角φに対応する振動振幅Ａと初期位相Ｃを抽出して、偏光方位角φと振動振幅Ａとの関係及び偏光方位角φと初期位相Ｃとの関係を示している。
【００８５】
この図１０（ｂ）から、ポンプ光の偏光方位角φの連続的な変化に対して初期位相Ｃが連続的に変化していることが明らかとなった。
【００８６】
次に、本発明を適用した図２に示されたスピン波の誘起・初期位相制御システム１０における数値計算モデルについて説明する。
【００８７】
光照射時のスピンＭと合成磁場Ｈの変調メカニズムとして次の２つの変調を仮定する。１つは逆コットン・ムートン効果により変調されたスピンＭが生じることであり、もう１つは磁気異方性変調により変調された合成磁場Ｈが生じることである。
【００８８】
逆コットン・ムートン効果は、式（４）のようにスピン変調ΔＭが初期スピンＭ0と入射ポンプ光電場Ｅの２次に比例するものといえる。
【００８９】
【数６】
2015015340.tif 000008
【００９０】
一方、磁気異方性変調はポンプ光線の照射により、異なる価数のＦｅイオン間で電荷移動が起こり、その結果としてΔＨが生じる現象である。変調量と入射ポンプ光電場の関係は現象論的に次の式（５）のように表されると仮定する。
【００９１】
【数７】
2015015340.tif 000009
【００９２】
式（５）は、磁気異方性変調を表現する式である。ここで、Ｅk、Ｅlは、スピンと同様である。（ｉ，ｊ，ｋ，ｌ）は（ｘ，ｙ，ｚ）を示す。
【００９３】
ここで磁化の運動と実験結果として得られる偏光方位回転角の対応関係について述べる。ポンプ光線による逆コットン・ムートン効果及び磁気異方性変調を受けた直後のスピンＭと合成磁場ＨのベクトルをベクトルＭ（ｔ）、ベクトルＨとおく。
【００９４】
スピンＭ（ｔ）と合成磁場Ｈは、以下の式で表すことができる。
【００９５】
【数８】
2015015340.tif 000010
【００９６】
図１１は、合成磁場ＨのまわりをスピンＭ（ｔ）が歳差運動を行う際のベクトルｕ1、ベクトルｕ2、ベクトルｕ3の関係を示した概念図である。
【００９７】
また、ベクトルＭ（ｔ）は、ベクトルｕ1、ベクトルｕ2、ベクトルｕ3を用いて、以下のような数式で表すことができる。
【数９】
2015015340.tif 000011
【００９８】
ここで、式（１０）のｚ成分を抽出して、式（３）と等しいと仮定する。
【００９９】
【数１０】
2015015340.tif 000012
【０１００】
即ち、式（１４）は、以下の式（１）のように変形できる。
【０１０１】
【数１１】
2015015340.tif 000013
【０１０２】
式（１）は、初期位相Ｃが、ベクトルｕ1とベクトルｕ2の変数により制御できることを示している。
【０１０３】
【数１２】
2015015340.tif 000014
【０１０４】
式（１５）は、ポンプ光線の偏光方位角φとポンプ光電場Ｅx、Ｅyとの関係を示している。
【０１０５】
図１２（ａ）は、ポンプ光線の偏光方位角φとｕ1zの関係を表した実験結果と数値解析結果を示した図である。図１２（ｂ）は、ポンプ光線の偏光方位角φとｕ2zの関係を表した実験結果と数値解析結果を示した図である。
【０１０６】
図１２（ａ）に示す点線で表されたグラフは、ｕ1zとポンプ光線の偏光方位角φとの実験結果を示し、実線で表されたグラフは、ｕ1zとポンプ光線の偏光方位角φとの式（１）〜式（１５）に示されるモデルによって計算させたｕ1zとポンプ光線の偏光方位角φとの関係を示す。また図１２（ｂ）に示す点線で表されたグラフは、ｕ2zとポンプ光線の偏光方位角φとの実験結果を示し、実線で表されたグラフは、ｕ2zとポンプ光線の偏光方位角φとの式（１）〜式（１５）によって計算されたｕ2zとポンプ光線の偏光方位角φとの関係を示す。
【０１０７】
この図１２より、実験結果と数値解析結果はフィッティングが可能となり、磁気異方性変調と、逆コットン・ムートン効果が同時に発生していることが示めされ、スピン波の初期位相の偏光方位角依存性が証明された。即ち、偏光方位角回転装置４でポンプ光線の偏光方位角φを回転することにより、試料２に誘起されたスピン波の初期位相Ｃが制御できることが示された。
【０１０８】
従って、スピン波誘起・初期位相制御装置１及びスピン波誘起・初期位相制御１０は、偏光方位角回転装置４によりポンプ光線の偏光方位角φを変化させることにより、（１）式のモデルに基づいてスピン波の初期位相Ｃを制御することができる。
【０１０９】
更に、ポンプ光線の偏光が直線偏光であるため、ポンプ光線の偏光方位角φを連続的に変化させることが可能となり、当該偏光方位角φの連続的な変化に応じて初期位相Ｃも連続的に変化させることが可能となる。
【０１１０】
第２実施形態
【０１１１】
次に複数のポンプ光線のスポットに誘起されたスピン波が干渉して合成された合成スピン波が、各スピン波の初期位相それぞれを変化させることにより、合成スピン波の伝播方向制御を行うスピン波誘起・伝播制御装置１´、スピン波誘起・伝播制御システム１０´及びスピン波誘起・伝播制御方法について図１３〜図２０を参照しながら説明する。
【０１１２】
複数のポンプ光線のスポットの中でも２個のポンプ光線のスポットの場合について図１３、図１４を参照しながら説明する。
【０１１３】
図１３は、本発明を適用したポンプ・プローブ法による２個のポンプ光線のスポットによる合成スピン波の誘起・伝播制御装置１´の構成を示した模式図である。図１４は、本発明を適用した図１３に示すスピン波の誘起・伝播制御装置１´の主要な構成要素を抽出したスピン波の誘起・伝播相制御システム１０´の概念図である。
【０１１４】
図１３に示すスピン波の誘起・伝播制御装置１´は、平板の試料２´の面内方向に電磁石４１´により外部磁場を印加することにより試料２´中のスピンを初期磁場方向に向けて、試料２´の面直方向にポンプ光線を入射し、ポンプ・プローブ法により当該スピンにより生じるスピン波の時間空間分解測定を行う装置である。
【０１１５】
スピン波の誘起・伝播制御装置１´は、光源３´と、光源３´から出射された光線を分離するビームスプリッター１１´と、このビームスプリッター１１´を通過したポンプ光線の光路上に配されるとともにそのポンプ光線の波長を変換する光パラメトリック増幅器１２´と、光パラメトリック増幅器１２´によって略直角方向に折り曲げられたポンプ光線の繰り返し周波数の半分の周波数でポンプ光線をチョップするチョッパー１３´と、チョッパー１３´を通過したポンプ光線を分離するビームスプリッター１４´と、分離された一方のポンプ光線の強度を検出する光検出器１５´と、分離された他方のポンプ光線を分離するビームスプリッター３６´と、ビームスプリッター３６´からの一方のポンプ光線を略直角方向に反射させるミラー１６´と、ミラー１６´で反射されたポンプ光線を直線偏光にする偏光子１８ａ´と、通過したポンプ光線の偏光方位角を回転可能とする偏光方位角回転装置４ａ´と、偏光方位角回転装置４ａ´を通過したポンプ光線を集光するレンズ５ａ´と、ビームスプリッター３６´からの他方のポンプ光線を略直角方向に反射させるミラー３７´と、ミラー３７´で反射されたポンプ光線を略直角方向に反射させて試料２´側へと導くミラー３８´と、ミラー３８´で反射されたポンプ光線を直線偏光にする偏光子１８ｂ´と、通過したポンプ光線の偏光方位角を回転可能とする偏光方位角回転装置４ｂ´と、偏光方位角回転装置４ｂ´を通過したポンプ光線を集光するレンズ５ｂ´とを備えている。
【０１１６】
またこのスピン波の誘起・伝播制御装置１´は、ビームスプリッター１１´により略直角方向に折り曲げられて分離されたプローブ光線の光路上に配されたミラー２１´と、ミラー２１´により略直角方向に折り曲げられたプローブ光線を遅延ステージ側へと導く偏光ビームスプリッター２２´と、偏光ビームスプリッター２２´からのプローブ光線を直線偏光から円偏光に変換する１／４波長板２３´と、１／４波長板２３´を通過したプローブ光線をポンプ光線に対して時間遅延をつける遅延ステージ２４´と、遅延ステージ２４´から戻ってきたプローブ光線が偏光ビームスプリッター２２´により略直角方向に折り曲げられ、当該プローブ光線の光路上に配されたＮＤフィルタ２６´と、ＮＤフィルタ２６´を通過したプローブ光線を試料２´側へと反射させるミラー２８´と、ミラー２８´で反射されたプローブ光を集光するレンズ５５´と、試料２´を透過したプローブ光の偏光回転角を測定する偏光方位回転角の測定器６´とを備えている。
【０１１７】
図１４に示すスピン波の誘起・伝播制御システム１０´は、平板の試料２´中のｘ方向に磁場を印加することにより試料２´中の初期スピンを初期磁場の方向に向けて、試料２´の面直方向であるｚ方向にポンプ光線を入射することで生じるスピン波の時間空間分解測定を可能とするポンプ・プローブ測定システムであって、何れかの光源（図示省略）から出射されたポンプ光線を通過させる偏光方位角回転装置４´と、偏光方位角回転装置４´を通過したポンプ光線を集光するレンズ５´と、試料２´に照射されたポンプ光線のスポット８´内に誘起され、ポンプ光線のスポット８´外に伝播されたスピン波の関数の情報を得るために、何れかの光源（図示省略）から出射されたプローブ光線を試料２´に透過させることにより、当該プローブ光線の偏光方位回転角を測定可能とする偏光方位回転角の測定器６´とから構成される。
【０１１８】
ここで、図１３に示すスピン波誘起・伝播制御装置１´の構成のうち、偏光子１８ａ´、１８ｂ´、偏光方位角回転装置４ａ´、４ｂ´、レンズ５ａ´、５ｂ´は、それぞれ第１実施形態の偏光子１８、偏光方位角回転装置４、レンズ５と同じ構成である。また、その他のビームスプリッター３６´と、ミラー３７´、ミラー３８´の構成以外は、第１実施形態のスピン波誘起・初期位相制御装置１と同じであるため、第１実施形態の構成を引用することにより省略する。
【０１１９】
ビームスプリッター３６´は、ポンプ光線のうち５０％を透過し、残りの５０％を反射する。
【０１２０】
ミラー３７´、３８´は、第１実施形態のミラー１６と同様に入射されてくるポンプ光線を反射させることによりその光路を変更する反射板として構成される。
【０１２１】
ここで、図１３に示すように、ビームスプリッター３６´で分離され、ミラー１６´で反射される一方のポンプ光線は、ａ点、ｄ点を通過して、その後ｍ点で略直角方向に折り曲げられて試料２´上のｎ点に到達する。この一方のポンプ光線の光路を光路ａｄｍｎと呼ぶこととする。またビームスプリッター３６´で分離されたポンプ光線は、ａ点から一方のポンプ光線の光路と略直角方向に折り曲げられ、ｂ点で略直角方向に折り曲げられて、更にｃ点でも略直角方向に折り曲げられてｄ点を通過し、その後試料２´上のｈ点に到達する。この他方のポンプ光線の光路を光路ａｂｃｄｈと呼ぶこととする。ここで、ｍ点ｎ点間の距離とｄ点ｈ点間の距離とは等しく、ａ点ｍ点間の距離と、ａ点ｂ点間の距離とｂ点ｃ点間の距離とｃ点ｄ点間の距離を加えた距離とは等しく設計されている。これにより、光路ａｄｍｎと光路ａｂｃｄｈとの距離は等しくなる。このため、ビームスプリッター３６´で分離された２つのポンプ光線は、試料２´上に同時に到達する。従って、図１４に示す試料２´上のポンプ光線のスポット８ａ´とポンプ光線のスポット８ｂ´は、同時に生成される。
【０１２２】
次に、本発明を適用したスピン波の誘起・伝播制御装置１´及びスピン波の誘起・伝播制御システム１０´におけるスピン波の誘起・伝播制御方法について、図１３、図１４を参照しながら詳細に説明する。
【０１２３】
まず、図１４を参照しながら、スピン波の誘起・伝播制御システム１０´におけるスピン波の誘起・伝播制御方法について説明する。
【０１２４】
まず図１４に示す試料２´のｘ方向に外部磁場を与える。何れかの光源（図示省略）から出射された２本のポンプ光線を偏光方位角回転装置４ａ´、４ｂ´を介して、当該ポンプ光線をレンズ５ａ´、５ｂ´により集光させて試料２´に照射する。このとき、２本のポンプ光線が試料２´に照射されて形成されたポンプ光線のスポット８ａ´、８ｂ´に２個のスピン波ｗa、ｗbを誘起させて干渉させる。このスピン波ｗa、ｗbの干渉により、合成スピン波ｗcを誘起する。
【０１２５】
更に、プローブ光線を試料２´に照射して透過させ、その透過したプローブ光線の偏光方位回転角を偏光方位回転角の測定器６により検出し、試料２´中を伝播する合成スピン波ｗcの関数の情報を得る。
【０１２６】
次に、図１３を参照しながら、スピン波の誘起・伝播制御装置１´を用いて行われるスピン波の誘起・伝播制御方法について説明する。
【０１２７】
このスピン波の誘起・伝播制御装置１´においては、ポンプ・プローブ法によりプローブ光線の光路途中に置かれた遅延ステージ２４´の可動ミラー２５´を物理的に移動させることによりプローブ光路長を変更して、ポンプ光線との間の遅延時間を調整する。
【０１２８】
光源３´から出射したポンプ光線をビームスプリッター３６´で２本の光線に分離し、一方のポンプ光線を光路ａｄｍｎ上に通過させ、他方のポンプ光線を光路ａｂｃｄｈ上に通過させる。これにより、同じタイミングでポンプ光線が試料２´上に照射されるため、ポンプ光線のスポット８ａ´、８ｂ´が同時に形成されると共に、ポンプ光線のスポット８ａ´、８ｂ´内で同時にスピン波が誘起される。その後、ポンプ光線のスポット８ａ´、８ｂ´内で同時に誘起されたスピン波ｗa、ｗbがポンプ光線のスポット８ａ´、８ｂ´外へ伝播して干渉させることにより合成スピン波ｗcを誘起させる。
【０１２９】
またプローブ光線は、試料２´に対して試料２´の法線の７°方向から入射され、偏光方位回転角の測定器６´でプローブ光線の偏光方位回転角を測定し、伝播する合成スピン波ｗcの関数の情報を分析する。ここで、偏光方位角回転装置４´で試料２´中に照射されるポンプ光線の偏光方位角を回転することにより、試料２´中のポンプ光線のスポット８ａ´、８ｂ´それぞれに誘起されるスピン波ｗa、ｗbの初期位相を変化させる。ポンプ光線とプローブ光線とは、遅延ステージ２４´による遅延時間をずらし、ポンプ光線に対するプローブ光線の相対的な２次元位置をずらしていくことで、合成スピン波ｗcの時間空間分解が可能となり、時間空間的な合成スピン波ｗcの関数の情報を得ることができる。
【０１３０】
なお、スピン波の誘起・伝播制御装置１´及びスピン波の誘起・伝播制御システム１０´で使用されるプローブ光線は、ポンプ光線により誘起され伝播されるスピン波の情報を検出するための一つの手段である。従って、スピン波の情報を検出できれば、プローブ光線に限定されることなく、いかなる手段であってもよい。
【０１３１】
なお、図１３、図１４では、２個のポンプ光線のスポットに誘起される２個のスピン波ｗa、ｗbの干渉を示したが、同様に、ビームスプリッター１４´とビームスプリッター３６´の間に、更に別の複数のビームスプリッター３６´と複数のミラー３７´、３８´を設けることで、３本以上のポンプ光線に分離することができる。更に、複数の光線に分離されたポンプ光路長を等しくすることで、試料２´に形成される複数のポンプ光線のスポット８´を同時に生成することができる。
【０１３２】
次に、本発明を適用した図１４に示されたスピン波誘起・伝播制御システム１０´における複数のポンプ光線のスポットの個数を９個にした場合の数値計算モデルについて説明する。ただし、個々のポンプ光線の強度は同一とする。
【０１３３】
【数１３】
2015015340.tif 000015
【０１３４】
【数１４】
2015015340.tif 000016
【０１３５】
【数１５】
2015015340.tif 000017
【０１３６】
【数１６】
2015015340.tif 000018
【０１３７】
【数１７】
2015015340.tif 000019
【０１３８】
このｈn（ベクトルｋ）をスピン波の波源として、下記に示す（２）式のモデルを立てた。
【０１３９】
【数１８】
2015015340.tif 000020
【０１４０】
ここで、tは時間を表している。
【０１４１】
【数１９】
2015015340.tif 000021
【０１４２】
【数２０】
2015015340.tif 000022
【０１４３】
【数２１】
2015015340.tif 000023
【０１４４】
ここで、ω（ベクトルｋ）は、スピン波の角周波数の分散関係を表す。但し、簡単のため面内の異方性を０とした。αは、ベクトルｋ＝０の時のスピン波の緩和係数である。このαは、磁性共鳴の実験で求めることができる。またＣnは、ｎ番目のポンプ光線のスポット内のスピン歳差運動の初期位相を表している。合成スピン波の関数であるｍN（ベクトルｒ，ｔ）は、波数空間で積分を行うことで得ることができる。スピン波の初期位相Ｃnは、光と磁性体の相互作用の仕方に依存している。直線偏光であるポンプ光パルスがスピン歳差運動を誘起する場合、逆コットン・ムートン効果と磁気異方性変調によって、直線偏光のポンプ光線の偏光方位角に応じてＣnは、図１０（ｂ）にも示すように連続的に変化する。
【０１４５】
図１３、１４に示す、スピン波の誘起・伝播制御装置１´及びスピン波の誘起・伝播制御システム１０´は、２個のポンプ光線のスポット８ａ´、８ｂ´から誘起された２個のスピン波ｗa、ｗbが互いに干渉することにより合成された合成スピン波ｗcを誘起し、２個のスピン波の初期位相Ｃをそれぞれ変化させて、（２）式のモデルに基づいて当該合成スピン波ｗcの関数を制御する。これにより、２個のスピン波ｗa、ｗbのそれぞれの初期位相Ｃの制御により、所望の合成スピン波ｗcの関数を得ることができる。また（２）式により、試料２´の特性は、合成スピン波ｗcの角周波数の分散関係と合成スピン波ｗcの緩和係数に基づくため、事前に試料２´の特性を数値計算により予測し、所望の合成スピン波ｗcを誘起するための試料２´の選定又は所望の試料２´の合成が可能となる。これにより、所望の合成スピン波ｗcを作ることができる。なお、スピン波の誘起・伝播制御装置１´及びスピン波の誘起・伝播制御システム１０´は、２個のポンプ光線のスポット８ａ´、８ｂ´の場合を示しているが、これに限定されることなく、３本以上の複数のポンプ光線により形成された３個以上のポンプ光線のスポットに誘起される複数のスピン波ｗの干渉により誘起される合成スピン波ｗであってもよい。
【０１４６】
更に、ポンプ光偏光が直線偏光であるため、ポンプ光線の偏光方位角φを連続的に変化させることが可能となり、当該偏光方位角φの連続的な変化に応じて初期位相Ｃも連続的に変化させることが可能となる。
【０１４７】
次に、スピン波の誘起・伝播制御装置１´及びスピン波の誘起・伝播制御システム１０´の（２）式のモデルによる１個又は９個のポンプ光線のスポットの場合の数値シミュレーション結果について図１６〜図２０を参照しながら詳細に説明する。
【０１４８】
図１５は、本発明を適用した第２実施形態のポンプ・プローブ法による試料２上にある９個のスピン波が干渉した状態を示した概念図である。図１５は、９つのポンプ光線のスポットＳ1、Ｓ2、Ｓ3、Ｓ4、Ｓ5、Ｓ6、Ｓ7、Ｓ8、Ｓ9から発生したスピン波ｗ1、ｗ2、ｗ3、ｗ4、ｗ5、ｗ6、ｗ7、ｗ8、ｗ9の干渉を示している。
【実施例１】
【０１４９】
次に、スピン波の誘起・伝播制御装置１´及びスピン波の誘起・伝播制御システム１０´の（２）式のモデルによる１個のポンプ光線のスポット８の場合の数値シミュレーション結果について図１６を参照しながら詳細に説明する。
【０１５０】
図１６（ａ）は、偏光方位角回転装置４´が、１／２波長板であるときの１個のポンプ光線のスポットの場合における直線偏光ポンプ光照射から３ｎｓ後のスピン波の振幅マップを示した図である。図１６（ｂ）は、図１６（ａ）の場合のスピン波の位相マップを示した図である。
【０１５１】
図１６（ａ）（ｂ）により、ポンプ光線のスポットが１個の場合は、矢印方向などの全方位に等方的にスピン波が伝播していることがわかる。
【実施例２】
【０１５２】
次に、スピン波の誘起・伝播制御装置１´及びスピン波の誘起・伝播制御システム１０´の（２）式のモデルによる９個のポンプ光線のスポットの場合の数値シミュレーション結果について図１７〜２０を参照しながら詳細に説明する。ここでは、９個のポンプ光線のスポットの形状は、略円形であり、全て円形の２次元ガウス関数で、半値全幅も同一であるとする。
【０１５３】
図１７（ａ）は、偏光方位角回転装置４´が、１／２波長板であるときの９個のポンプ光線のスポットから誘起されたスピン波の初期位相Ｃnが全て同位相の場合における直線偏光ポンプ光照射から３ｎｓ後のスピン波の振幅マップを示した図である。図１７（ｂ）は、図１７（ａ）の場合のスピン波の位相マップを示した図である。
【０１５４】
図１７（ａ）（ｂ）により、ポンプ光線のスポットが９個で全てのスピン波の初期位相Ｃnに位相差がない。つまり、Ｃn＝０°の場合は、９個のスピン波が合成された合成スピン波は、矢印方向に示す左右方向にスピン波が伝播していることがわかる。
【実施例３】
【０１５５】
図１８（ａ）は、偏光方位角回転装置４´が、１／２波長板であるときの９個のポンプ光線のスポットから誘起されたスピン波の初期位相Ｃnの位相差が６０°の場合における直線偏光ポンプ光照射から３ｎｓ後のスピン波の振幅マップを示した図であり、図１８（ｂ）は（ａ）の場合のスピン波の位相マップを示した図である。ここで、スピン波の初期位相Ｃnの位相差が６０°の場合とは、Ｃn＝６０°×（ｎ−４）（但し、ｎ＝１〜９）の場合である。
【０１５６】
図１８（ａ）（ｂ）により、ポンプ光線のスポットが９個で全てのスピン波に位相差が６０°の場合は、矢印方向に示す左右斜め上方向に９個のスピン波が合成された合成スピン波が伝播していることがわかる。
【実施例４】
【０１５７】
図１９（ａ）は、偏光方位角回転装置４´が、１／２波長板であるときの９個のポンプ光線のスポットから誘起されたスピン波の初期位相Ｃnが、Ｃn＝１５°×（ｎ−４）2（但し、ｎ＝１〜９）の場合における直線偏光ポンプ光照射から３ｎｓ後のスピン波の振幅マップを示した図である。図１９（ｂ）は、図１９（ａ）の場合のスピン波の位相マップを示した図である。
【０１５８】
図１９（ａ）（ｂ）により、ポンプ光線のスポットが９個のスピン波の初期位相Ｃnが、Ｃn＝１５°×（ｎ−４）2の場合は、矢印方向に示す左右方向、左右斜め上方向及び左右斜め下方向に９つのスピン波が合成された合成スピン波が伝播して収束していることがわかる。
【実施例５】
【０１５９】
図２０（ａ）は、偏光方位角回転装置４´が、１／２波長板であるときの９個のポンプ光線のスポットから誘起されたスピン波の初期位相Ｃnが、Ｃn＝６０°×（ｎ−４）＋１５°×（ｎ−４）2（但し、ｎ＝１〜９）の場合における直線偏光ポンプ光照射から３ｎｓ後のスピン波の振幅マップを示した図である。図２０（ｂ）は、図２０（ａ）の場合のスピン波の位相マップを示した図である。
【０１６０】
図２０（ａ）（ｂ）により、ポンプ光線のスポットが９個のスピン波の初期位相Ｃnが、Ｃn＝６０°×（ｎ−４）＋１５°×（ｎ−４）2の場合は、矢印方向に示す左右方向、左右斜め上方向及び左右斜め下方向に９つのスピン波が合成された合成スピン波が伝播して収束していることがわかる。
【０１６１】
以上、本発明の実施例及び応用例について詳細に説明したが、前述した実施例及び応用例は、何れも本発明を実施するにあたって具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。
【符号の説明】
【０１６２】
１          スピン波の誘起・初期位相制御装置
１´        スピン波の誘起・伝播制御装置
２、２´    試料
３、３´    光源
４、４ａ´、４ｂ´    偏光方位角回転装置
５、５ａ´、５ｂ´    レンズ
６、６´    偏光方位回転角の測定器
８、８´、８ａ´、８ｂ´  ポンプ光線のスポット
１０        スピン波の誘起・初期位相制御システム
１０´      スピン波の誘起・伝播制御システム
１１、１１´、１４、１４´    ビームスプリッター
１２、１２´    光パラメトリック増幅器
１３、１３´    チョッパー
１５、１５´、３４、３４´、３５、３５´    光検出器
１６、１６´、２１、２１´、２８、２８´、３７´、３８´    ミラー
１８、１８ａ´、１８ｂ´    偏光子
２３、２３´    １／４波長板
２２、２２´    偏光ビームスプリッター
２４、２４´    遅延ステージ
２５、２５´    可動ミラー
２６、２６´    ＮＤフィルタ
２７、２７´    固定ミラー
３３、３３´    ウォラストンプリズム
３６´    ビームスプリッター
４１、４１´    電磁石
Ｓ１            ポンプ光線のスポット
ｗa、ｗb        スピン波
ｗc             合成スピン波
【図１】
2015015340.tif 000028
【図２】
2015015340.tif 000029
【図３】
2015015340.tif 000030
【図４】
2015015340.tif 000031
【図５】
2015015340.tif 000032
【図６】
2015015340.tif 000033
【図７】
2015015340.tif 000034
【図８】
2015015340.tif 000035
【図９】
2015015340.tif 000036
【図１０】
2015015340.tif 000037
【図１１】
2015015340.tif 000038
【図１２】
2015015340.tif 000039
【図１３】
2015015340.tif 000040
【図１４】
2015015340.tif 000041
【図１５】
2015015340.tif 000042
【図２１】
2015015340.tif 000043
【図１６】
2015015340.tif 000044
【図１７】
2015015340.tif 000045
【図１８】
2015015340.tif 000046
【図１９】
2015015340.tif 000047
【図２０】
2015015340.tif 000048