(57)【要約】  本発明は、非平衡マグノンを発生させるためのマグノン利得媒質（ＭＧＭ）（５４）（５８）と、非平衡マグノンをＭＧＭにおいて発生させる手段とを含むマグノンレーザーであり、さらに、非平衡電子（５２）をＭＧＭに送り込む手段を含む。ＭＧＭにおいて非平衡電子が伝播することにより、非平衡マグノンを発生させる。ＭＧＭは、強磁性半導体、強磁性絶縁体、及び強磁性体からなる群から選択される。非平衡マグノンを融合させることによりテラヘルツ波を発生させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）非平衡マグノンを発生させるためのマグノン利得媒質（ＭＧＭ）と、
（Ｂ）前記非平衡マグノンを前記ＭＧＭにおいて発生させる手段とを含む一般構造（ＧＳ）マグノンレーザー。
【請求項２】
（Ｃ）サーモスタットをさらに含む請求項１記載のＧＳマグノンレーザーであって、
前記ＭＧＭが前記サーモスタットに配され、
前記サーモスタットが、前記ＭＧＭの温度を臨界温度より下に維持するように構成されることを特徴とするＧＳマグノンレーザー。
【請求項３】
前記手段（Ａ）がさらに、
（Ａ１）強磁性半導体、強磁性絶縁体、及び強磁性体からなる群から選択される前記ＭＧＭを含むことを特徴とする請求項１記載のＧＳマグノンレーザー。
【請求項４】
前記手段（Ｂ）がさらに、
（Ｂ１）非平衡電子を前記ＭＧＭに送り込む手段を含み、
前記ＭＧＭにおいて前記非平衡電子が伝播することにより、前記非平衡マグノンを発生させることを特徴とする請求項１記載のＧＳマグノンレーザー。
【請求項５】
前記手段（Ｂ）がさらに、
（Ｂ２）非平衡電子を前記ＭＧＭに注入する手段を含み、
前記ＭＧＭにおいて前記非平衡電子が伝播することにより、前記非平衡マグノンを発生させることを特徴とする請求項１記載のＧＳマグノンレーザー。
【請求項６】
前記手段（Ｂ）がさらに、
（Ｂ３）非平衡偏極電子を前記ＭＧＭに注入する手段を含み、
前記偏極電子が前記ＭＧＭの磁化方向と反対方向に偏極し、
前記ＭＧＭにおいて前記偏極非平衡電子が伝播することにより、前記非平衡マグノンを発生させることを特徴とする請求項１記載のＧＳマグノンレーザー。
【請求項７】
（強磁性体の磁化方向に沿って）スピンアップを有する第１サブバンドと、（強磁性体の磁化方向と反対に）スピンダウンを有する第２サブバンドとの２つのサブバンドに分割される伝導バンドを有する強磁性体を含む四準位マグノンレーザーであって、
前記強磁性体は、四準位レーザー構造をさらに含み、
前記四準位レーザー構造は、
価電子帯に対応する最低エネルギー準位と、
スピンダウンサブバンドに対応する最高エネルギー準位と、
スピンアップサブバンドに対応する第２中間エネルギー準位とを含み、
前記最低エネルギー準位から前記最高エネルギー準位へと送り込まれた電子が、前記スピンアップサブバンドにおける、より低いエネルギー電子状態へと移り、
前記送り込まれた電子のそれぞれがマグノンを放出し、
前記四準位レーザー構造は、さらに、
前記スピンアップサブバンドにおける前記より低いエネルギー電子状態に対応する第１中間準位を含み、
前記スピンアップサブバンドにおける前記電子が、前記スピンアップサブバンドの底部へと、光学フォノンを放出することにより移り、
前記第２中間エネルギー準位が、前記第１中間準位よりも低いエネルギー空間に配され、
前記電子が、前記最低エネルギー準位から前記最高エネルギー準位へとポンピング手段を用いて送り込まれることを特徴とする四準位マグノンレーザー。
【請求項８】
前記電子を前記最低エネルギー準位から前記最高エネルギー準位へと送り込むように構成された前記ポンピング手段をさらに含むことを特徴とする請求項７記載の四準位マグノンレーザー。
【請求項９】
前記ポンピング手段は、さらに、
前記電子を前記最低エネルギー準位から前記最高エネルギー準位へと送り込むように構成された従来のレーザー手段を含むことを特徴とする請求項８記載の四準位マグノンレーザー。
【請求項１０】
前記強磁性体が、強磁性半導体及び強磁性絶縁体からなる群から選択されることを特徴とする請求項７記載の四準位マグノンレーザー。
【請求項１１】
サーモスタットをさらに含む請求項７記載の四準位マグノンレーザーであって、
前記磁性体が前記サーモスタットに配され、
前記サーモスタットが、臨界温度より下に前記磁性体の温度を維持するように構成されることを特徴とする四準位マグノンレーザー。
【請求項１２】
（強磁性体の磁化方向に沿って）スピンアップを有する第１サブバンドと、（強磁性体の磁化方向と反対に）スピンダウンを有する第２サブバンドとの２つのサブバンドに分割される伝導バンドを有する強磁性体を含む三準位マグノンレーザーであって、
前記磁性体は、三準位レーザー構造をさらに含み、
前記三準位レーザー構造は、
スピンダウンサブバンドに対応する最高エネルギー準位と、
スピンアップサブバンドに対応する最低エネルギー準位とを含み、
電子の外部源から前記最高エネルギー準位へと注入された電子が、前記スピンアップサブバンドにおける、より低いエネルギー電子状態へと移り、
前記注入された電子のそれぞれがマグノンを放出し、
前記三準位レーザー構造は、さらに、
前記スピンアップサブバンドにおける、前記より低いエネルギー電子状態に対応する中間エネルギー準位を含み、
前記スピンアップサブバンドにおける前記電子が、前記中間エネルギー準位から前記スピンアップサブバンドの底部へと、光学フォノンを放出することにより移り、
前記電子が、前記電子の外部源から前記最高エネルギー準位へと注入手段を用いて注入されることを特徴とする三準位マグノンレーザー。
【請求項１３】
前記電子を前記電子の外部源から前記最高エネルギー準位へと注入するように構成された前記注入手段をさらに含むことを特徴とする請求項１２記載の三準位マグノンレーザー。
【請求項１４】
前記注入手段は、さらに、
前記強磁性体に印加された電場を含み、
前記電場が、非偏極電子を外部源から前記強磁性体に注入するように構成され、
前記注入されたスピンダウン電子が、前記最高エネルギー準位に存在することを特徴とする請求項１３記載の三準位マグノンレーザー。
【請求項１５】
前記注入手段は、さらに、
前記強磁性体に印加された電場を含み、
前記電場が、偏極スピンダウン電子を外部源から前記最高エネルギー準位に注入するように構成され、
前記偏極スピンダウン電子が、前記強磁性体の磁化方向と反対方向に偏極されることを特徴とする請求項１３記載の三準位マグノンレーザー。
【請求項１６】
前記強磁性体が、強磁性半導体及び強磁性絶縁体からなる群から選択されることを特徴とする請求項１２記載の三準位マグノンレーザー。
【請求項１７】
サーモスタットをさらに含む請求項１２記載の三準位マグノンレーザーであって、
前記磁性体が前記サーモスタットに配され、
前記サーモスタットが、臨界温度より下に前記磁性体の温度を維持するように構成されることを特徴とする三準位マグノンレーザー。
【請求項１８】
一般構造（ＧＳ）マグノンレーザーを用いて非平衡マグノンを発生させる方法であって、
（Ａ）非平衡マグノンを発生させるためのマグノン利得媒質（ＭＧＭ）を提供する工程と、
（Ｂ）前記非平衡マグノンを前記ＭＧＭにおいて発生させる工程とを備える方法。
【請求項１９】
前記工程（Ａ）がさらに、
（Ａ１）前記ＭＧＭをサーモスタットに配することにより前記ＭＧＭの温度を臨界温度より下に維持する工程を備えることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記工程（Ａ）がさらに、
（Ａ２）前記ＭＧＭを、強磁性半導体、強磁性絶縁体、及び強磁性体からなる群から選択する工程を備えることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２１】
前記工程（Ａ２）がさらに、
（Ａ２，１）前記選択された強磁性体を含むＭＧＭを前記サーモスタットに配することにより、前記選択された強磁性体の温度をそのキュリー温度より下に維持する工程を備えることを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記工程（Ｂ）がさらに、
（Ｂ１）非平衡電子を前記ＭＧＭに送り込む工程を備え、
前記ＭＧＭにおいて前記非平衡電子が伝播することにより、前記非平衡マグノンを発生させることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２３】
前記工程（Ｂ）がさらに、
（Ｂ２）非平衡電子を前記ＭＧＭに注入する工程を備え、
前記ＭＧＭにおいて前記非平衡電子が伝播することにより、前記非平衡マグノンを発生させることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２４】
前記工程（Ｂ）がさらに、
（Ｂ３）偏極非平衡電子を前記ＭＧＭに注入する工程を備え、
前記偏極電子が前記ＭＧＭの磁化方向と反対方向に偏極し、
前記ＭＧＭにおいて前記偏極非平衡電子が伝播することにより、前記非平衡マグノンを発生させることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２５】
前記工程（Ｂ）がさらに、
（Ｂ４）実質的に十分な数の非平衡電子を前記ＭＧＭに送り込むことにより、前記ＭＧＭにおいて前記非平衡マグノンを発生させる工程を備えることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２６】
前記工程（Ｂ）がさらに、
（Ｂ５）閾値数の偏極非平衡電子を前記ＭＧＭに送り込む工程を備え、
前記送り込まれた偏極非平衡電子の閾値数が、前記ＭＧＭにおいてマグノンのアバランシェ効果を生じさせるのに実質的に十分であることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２７】
前記工程（Ｂ）がさらに、
（Ｂ６）実質的に十分な数の非平衡電子を前記ＭＧＭに注入することにより、前記ＭＧＭにおいて前記非平衡マグノンを発生させる工程を備えることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２８】
前記工程（Ｂ）がさらに、
（Ｂ７）閾値数の偏極非平衡電子を前記ＭＧＭに注入する工程を備え、
前記送り込まれた偏極電子の閾値数が、前記ＭＧＭにおいてマグノンのアバランシェ効果を生じさせるのに実質的に十分であることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２９】
四準位マグノンレーザーを用いて非平衡マグノンを発生させる方法であって、
（Ａ）前記四準位マグノンレーザーを提供する工程と、
（Ｂ）電子を前記四準位マグノンレーザーに送り込む工程とを備え、
前記四準位マグノンレーザーは、
（強磁性体の磁化方向に沿って）スピンアップを有する第１サブバンドと、（強磁性体の磁化方向と反対に）スピンダウンを有する第２サブバンドとの２つのサブバンドに分割される伝導バンドを有する強磁性体を含み、
前記強磁性体は、四準位レーザー構造を含み、
前記四準位レーザー構造は、
価電子帯に対応する最低エネルギー準位と、
スピンダウンサブバンドに対応する最高エネルギー準位と、
スピンアップサブバンドに対応する第２中間エネルギー準位とを含み、
前記最低エネルギー準位から前記最高エネルギー準位へと送り込まれた電子が、前記スピンアップサブバンドにおける、より低いエネルギー電子状態へと移り、
前記送り込まれた電子のそれぞれがマグノンを放出し、
前記四準位レーザー構造は、さらに、
前記スピンアップサブバンドにおける、前記より低いエネルギー電子状態に対応する第１中間準位を含み、
前記スピンアップサブバンドにおける前記電子が、前記スピンアップサブバンドの底部へと、光学フォノンを放出することにより移り、
前記第２中間エネルギー準位が、前記第１中間準位よりも低いエネルギー空間に配され、
前記電子が、前記最低エネルギー準位から前記最高エネルギー準位へとポンピング手段を用いて送り込まれることを特徴とする方法。
【請求項３０】
三準位マグノンレーザーを用いて非平衡マグノンを発生させる方法であって、
（Ａ）前記三準位マグノンレーザーを提供する工程と、
（Ｂ）電子を前記三準位マグノンレーザーに注入する工程とを備え、
前記三準位マグノンレーザーは、
（強磁性体の磁化方向に沿って）スピンアップを有する第１サブバンドと、（強磁性体の磁化方向と反対に）スピンダウンを有する第２サブバンドとの２つのサブバンドに分割される伝導バンドを有する強磁性体を含み、
前記強磁性体は、三準位レーザー構造を含み、
前記三準位レーザー構造は、
スピンダウンサブバンドに対応する最高エネルギー準位と、
スピンアップサブバンドに対応する最低エネルギー準位とを含み、
電子の外部源から前記最高エネルギー準位へと注入された電子が、前記スピンアップサブバンドにおける、より低いエネルギー電子状態へと移り、
前記注入された電子のそれぞれがマグノンを放出し、
前記三準位レーザー構造は、さらに、
前記スピンアップサブバンドにおける、前記より低いエネルギー電子状態に対応する中間エネルギー準位を含み、
前記スピンアップサブバンドにおける前記電子が、前記中間エネルギー準位から前記スピンアップサブバンドの底部へと、光学フォノンを放出することにより移り、
前記電子が、前記電子の外部源から前記最高エネルギー準位へと注入手段を用いて注入されることを特徴とする方法。
【請求項３１】
一般構造（ＧＳ）マグノンレーザーを用いてテラヘルツ放射を発生させる方法であって、
（Ａ）非平衡マグノンを発生させるためのマグノン利得媒質（ＭＧＭ）を提供する工程と、
（Ｂ）前記非平衡マグノンを前記ＭＧＭにおいて発生させる工程と、
（Ｃ）前記ＭＧＭで発生した前記非平衡マグノンの間に融合工程を用いることによりテラヘルツフォトンを発生させる工程とを備えることを特徴とする方法。
【請求項３２】
四準位マグノンレーザーを用いてテラヘルツ放射を発生させる方法であって、
（Ａ）前記四準位マグノンレーザーを提供する工程と、
（Ｂ）電子を前記四準位マグノンレーザーに送り込む工程と、
（Ｃ）前記四準位マグノンレーザーにおいて非平衡マグノンを発生させる工程と、
（Ｄ）前記四準位マグノンレーザーで発生した前記非平衡マグノンの間に融合工程を用いることによりテラヘルツフォトンを発生させる工程とを備えることを特徴とする方法。
【請求項３３】
三準位マグノンレーザーを用いてテラヘルツ放射を発生させる方法であって、
（Ａ）前記三準位マグノンレーザーを提供する工程と、
（Ｂ）電子を前記三準位マグノンレーザーに注入する工程と、
（Ｃ）前記三準位マグノンレーザーにおいて非平衡マグノンを発生させる工程と、
（Ｄ）前記三準位マグノンレーザーで発生した前記非平衡マグノンの間に融合工程を用いることによりテラヘルツフォトンを発生させる工程とを備えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグノンレーザーに関する。
【背景技術】
【０００２】
親特許出願（発明の名称「テラヘルツ波の発生」）では、非平衡マグノンの発生を利用することによって、テラヘルツ波を発生させた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、非平衡マグノンの発生は、一般的なレーザーの類似物を用いて説明することも可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、マグノンレーザー、及び該マグノンレーザーをテラヘルツ波の発生に応用することに関する幾つかの実施形態を開示する。
【０００５】
本発明の一態様は、一般構造（ＧＳ:general structure）マグノンレーザーを対象とする。
一実施形態では、本発明のＧＳマグノンレーザーは、（Ａ）非平衡マグノンを発生させるためのマグノン利得媒質（ＭＧＭ: magnon gain medium）と、（Ｂ）非平衡マグノンをＭＧＭにおいて発生させる手段とをさらに含む。
【０００６】
一実施形態では、本発明のＧＳマグノンレーザーは、（Ｃ）サーモスタットをさらに含む。ＭＧＭはサーモスタットに配され、サーモスタットは、ＭＧＭの温度を臨界温度より下に維持するように構成される。
【０００７】
本発明の一実施形態では、手段（Ａ）は、強磁性半導体、強磁性絶縁体、及び強磁性体からなる群から選択される。
【０００８】
本発明の一実施形態では、手段（Ｂ）は、さらに、（Ｂ１）非平衡電子をＭＧＭに送り込むように構成された手段を含む。ＭＧＭにおいて非平衡電子が伝播することにより、非平衡マグノンを発生させる。
【０００９】
本発明の他の実施形態では、手段（Ｂ）は、さらに、（Ｂ２）非平衡電子をＭＧＭに注入するように構成された手段を含む。ＭＧＭにおいて非平衡電子が伝播することにより、非平衡マグノンを発生させる。
【００１０】
本発明のもう1つの実施形態では、手段（Ｂ）は、さらに、（Ｂ３）非平衡偏極電子をＭＧＭに注入するように構成された手段を含む。電子は、ＭＧＭの磁化方向と反対方向に偏極する。ＭＧＭにおいて偏極非平衡電子が伝播することにより、非平衡マグノンを発生させる。
【００１１】
本発明のその他の態様は、四準位マグノンレーザーを対象としたものである。四準位マグノンレーザーは、伝導バンドを有する強磁性体を含む。この伝導バンドは、（強磁性体の磁化方向に沿って）スピンアップを有する第１サブバンドと、（強磁性体の磁化方向と反対に）スピンダウンを有する第２サブバンドとの２つのサブバンドに分割される。強磁性体は、強磁性半導体及び強磁性絶縁体からなる群から選択される。
【００１２】
本発明の一実施形態では、四準位マグノンレーザーは、さらに、四準位エネルギー構造を含む。四準位エネルギー構造は、価電子帯に対応する最低エネルギー準位と、スピンダウンサブバンドに対応する最高エネルギー準位と、スピンアップサブバンドに対応する第２中間エネルギー準位とを含む。最低エネルギー準位から最高エネルギー準位へと送り込まれた電子は、スピンアップサブバンドにおける、より低いエネルギー電子状態へと移る。送り込まれた電子のそれぞれは、マグノンを放出する。四準位エネルギー構造は、さらに、スピンアップサブバンドにおける、該より低いエネルギー電子状態に対応する第１中間準位を含む。本発明の本実施形態では、スピンアップサブバンドにおける電子は、スピンアップサブバンドの底部へと、光学フォノンを放出することにより移る。本発明の本実施形態では、第２中間エネルギー準位は、第１中間準位よりも低いエネルギー空間に配される。本発明の本実施形態では、電子は、最低エネルギー準位から最高エネルギー準位へとポンピング手段を用いて送り込まれる。
【００１３】
本発明の一実施形態では、四準位マグノンレーザーは、サーモスタットをさらに含む。磁性体がサーモスタットに配され、サーモスタットは、臨界温度より下に磁性体の温度を維持するように構成される。
【００１４】
本発明の一実施形態では、四準位マグノンレーザーは、電子を最低エネルギー準位から最高エネルギー準位へと送り込むように構成されたポンピング手段をさらに含む。
【００１５】
本発明の一実施形態では、ポンピング手段は、さらに、電子を最低エネルギー準位から最高エネルギー準位へと送り込むように構成された従来のレーザー手段を含む。
【００１６】
本発明のもう1つの態様は、三準位マグノンレーザーを対象としたものである。三準位マグノンレーザーは、伝導バンドを有する強磁性体をさらに含む。この伝導バンドは、（強磁性体の磁化方向に沿って）スピンアップを有する第１サブバンドと、（強磁性体の磁化方向と反対に）スピンダウンを有する第２サブバンドとの２つのサブバンドに分割される。磁性体は、強磁性半導体及び強磁性絶縁体からなる群から選択される。
【００１７】
一実施形態では、本発明の三準位マグノンレーザーは、三準位レーザー構造をさらに含む。三準位レーザー構造は、スピンダウンサブバンドに対応する最高エネルギー準位と、スピンアップサブバンドに対応する最低エネルギー準位とをさらに含む。電子の外部源から最高エネルギー準位へと注入された電子は、スピンアップサブバンドにおける、より低いエネルギー電子状態へと移る。注入された電子のそれぞれはマグノンを放出する。三準位レーザー構造は、さらに、スピンアップサブバンドにおける、該より低いエネルギー電子状態に対応する中間エネルギー準位を含む。本発明の本実施形態では、スピンアップサブバンドにおける電子は、中間エネルギー準位からスピンアップサブバンドの底部へと、光学フォノンを放出することにより移る。本発明の本実施形態では、電子は、電子の外部源から最高エネルギー準位へと注入手段を用いて注入される。
【００１８】
一実施形態では、本発明の三準位マグノンレーザーは、サーモスタットをさらに含む。磁性体がサーモスタットに配され、サーモスタットは、臨界温度より下に磁性体の温度を維持するように構成される。
【００１９】
一実施形態では、本発明の三準位マグノンレーザーは、電子を電子の外部源から最高エネルギー準位へと注入するように構成された注入手段をさらに含む。
【００２０】
本発明の一実施形態では、注入手段は、さらに、強磁性体に印加された電場を含む。本発明の一実施形態では、注入手段は、非偏極電子を外部源から強磁性体に注入するように構成される。注入されたスピンダウン電子は、最高エネルギー準位に存在する。本発明のその他の実施形態では、注入手段は、偏極スピンダウン電子を外部源から最高エネルギー準位に注入するように構成される。偏極スピンダウン電子は、強磁性体の磁化方向と反対方向に偏極される。
【００２１】
本発明の追加的な態様は、ＧＳマグノンレーザーを用いて非平衡マグノンを発生させる方法を対象とする。
【００２２】
本発明の一実施形態では、本発明の方法は、ＧＳマグノンレーザーを用いて非平衡マグノンを発生させるための方法であり、さらに、（Ａ）非平衡マグノンを発生させるためのマグノン利得媒質（ＭＧＭ）を提供する工程と、（Ｂ）非平衡マグノンをＭＧＭにおいて発生させる工程とを含む。
【００２３】
本発明の一実施形態では、工程（Ａ）はさらに、（Ａ１）ＭＧＭをサーモスタットに配することによりＭＧＭの温度を臨界温度より下に維持する工程を備える。
【００２４】
本発明の一実施形態では、工程（Ａ）はさらに、（Ａ２）強磁性半導体、強磁性絶縁体、及び強磁性体からなる群から選択されるＭＧＭを選択する工程を備える。本発明の一実施形態では、工程（Ａ２）はさらに、（Ａ２，１）選択された強磁性体を含むＭＧＭをサーモスタットに配することにより、選択された強磁性体の温度をキュリー温度より下に維持する工程を備える。
【００２５】
本発明の一実施形態では、工程（Ｂ）はさらに、（Ｂ１）非平衡電子をＭＧＭに送り込む工程を備える。ＭＧＭにおいて非平衡電子が伝播することにより、非平衡マグノンを発生させる。
【００２６】
本発明の一実施形態では、工程（Ｂ）はさらに、（Ｂ２）非平衡電子をＭＧＭに注入する工程を備える。ＭＧＭにおいて非平衡電子が伝播することにより、非平衡マグノンを発生させる。
【００２７】
本発明の一実施形態では、工程（Ｂ）はさらに、（Ｂ３）偏極非平衡電子をＭＧＭに注入する工程を備える。偏極電子は、ＭＧＭの磁化方向と反対方向に偏極する。ＭＧＭにおいて偏極非平衡電子が伝播することにより、非平衡マグノンを発生させる。
【００２８】
本発明の一実施形態では、工程（Ｂ）はさらに、（Ｂ４）実質的に十分な数の非平衡電子をＭＧＭに送り込むことにより、ＭＧＭにおいて非平衡マグノンを発生させる工程を備える。
【００２９】
本発明の一実施形態では、工程（Ｂ）はさらに、（Ｂ５）閾値数の偏極非平衡電子をＭＧＭに送り込む工程を備える。送り込まれた偏極非平衡電子の閾値数は、ＭＧＭにおいてマグノンのアバランシェ効果を生じさせるのに実質的に十分なものである。
【００３０】
本発明の一実施形態では、工程（Ｂ）はさらに、（Ｂ６）実質的に十分な数の非平衡電子をＭＧＭに注入することにより、ＭＧＭにおいて非平衡マグノンを発生させる工程を備える。
【００３１】
本発明の一実施形態では、工程（Ｂ）はさらに、（Ｂ７）閾値数の偏極非平衡電子をＭＧＭに注入する工程を備える。送り込まれた偏極非平衡電子の閾値数は、ＭＧＭにおいてマグノンのアバランシェ効果を生じさせるのに実質的に十分なものである。
【００３２】
本発明のもう1つの態様は、四準位マグノンレーザーを用いて非平衡マグノンを発生させる方法を対象とする。
【００３３】
一実施形態では、本発明の方法は、四準位マグノンレーザーを用いて非平衡マグノンを発生させるための方法であり、（Ａ）四準位マグノンレーザーを提供する工程と、（Ｂ）電子を、最低エネルギー準位から最高エネルギー準位へとポンピング手段を用いて四準位マグノンレーザーに送り込む工程とを備える。
【００３４】
さらに、本発明のもう１つの態様は、三準位マグノンレーザーを用いて非平衡マグノンを発生させる方法を対象とする。
【００３５】
一実施形態では、本発明の方法は、三準位マグノンレーザーを用いて非平衡マグノンを発生させるための方法であり、（Ａ）三準位マグノンレーザーを提供する工程と、（Ｂ）電子を、電子の外部源から三準位マグノンレーザーの最高エネルギー準位へと、注入手段を用いて注入する工程とを備える。
【００３６】
さらに、本発明の追加的な態様は、ＧＳマグノンレーザーを用いてテラヘルツ放射を発生させる方法を対象とする。
【００３７】
一実施形態は、ＧＳマグノンレーザーを用いてテラヘルツ放射を発生させるための本発明の方法であり、この方法は、（Ａ）非平衡マグノンを発生させるためのＭＧＭを提供する工程と、（Ｂ）非平衡マグノンをＭＧＭにおいて発生させる工程と、（Ｃ）ＭＧＭで発生した非平衡マグノンの間に融合工程を用いることによりテラヘルツフォトンを発生させる工程とを備える。
【００３８】
さらに、本発明のその他の追加的な態様は、四準位マグノンレーザーを用いてテラヘルツ放射を発生させる方法を対象とする。
【００３９】
一実施形態では、本発明の方法は、四準位マグノンレーザーを用いてテラヘルツ放射を発生させるための方法であり、（Ａ）四準位マグノンレーザーを提供する工程と、（Ｂ）電子を四準位マグノンレーザーに送り込む工程と、（Ｃ）四準位マグノンレーザーにおいて非平衡マグノンを発生させる工程と、（Ｄ）四準位マグノンレーザーで発生した非平衡マグノンの間に融合工程を用いることによりテラヘルツフォトンを発生させる工程とをさらに備える。
【００４０】
さらに、本発明のもう1つの追加的な態様は、三準位マグノンレーザーを用いてテラヘルツ放射を発生させる方法を対象とする。
【００４１】
一実施形態では、本発明の方法は、三準位マグノンレーザーを用いてテラヘルツ放射を発生させるための方法であり、（Ａ）三準位マグノンレーザーを提供する工程と、（Ｂ）電子を三準位マグノンレーザーに注入する工程と、（Ｃ）三準位マグノンレーザーにおいて非平衡マグノンを発生させる工程と、（Ｄ）三準位マグノンレーザーで発生した非平衡マグノンの間に融合工程を用いることによりテラヘルツフォトンを発生させる工程とをさらに備える。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】強力な電子−マグノン相互作用（電子−電子、又は電子−フォノンの相互作用と比較して）の過程を図示する。スピンダウンを有する上方のサブバンドに配された非平衡電子は、大きな波動ベクトルを有するマグノンを急速に放出し、これは本発明の目的である。
【図２】四準位マグノンレーザーのエネルギー準位構造を示す。
【図３】三準位マグノンレーザーのエネルギー準位構造を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
添付図面は、組み込まれることにより本明細書の一部を形成する。本図面は、実施形態を図示するものであり、記載内容とともに本発明の原理を説明するのに役立つ。
ここで、本発明の好適な実施形態の詳細を参照することにする。実施形態の実施例は、添付図面中に図示される。本発明は、好適な実施形態とともに記載されるが、これらは、発明をこれら実施形態に制限することを目的とするものではないことは理解されるべきである。反対に、本発明は、変更、修正、及び類似形態を包括したものであり、これらは、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神と範囲に含まれるものである。さらに、以下、本発明の詳細な説明において、多くの具体的な詳細を説明することにより、本発明を完全に理解可能なものとする。しかしながら、当業者にとっては明らかなことではあるが、本発明は、これらの具体的な詳細がなくとも実施可能である。その他の事例としては、公知の方法、手順、部品、及び回路は、その詳細を記載しておらず、これは不必要に本発明の態様を不明瞭にしないためである。
【００４４】
詳細な記載のうちの一部は、粒子及び準粒子相互作用、手順、方程式、ブロック、図形、及びその他の物理過程の符号表示に関して、以下に示される。これらの記載及び表示は、凝縮系物理学における当業者によって用いられる手段であり、最も効率的に作用の本質を他の当業者に伝達することが可能である。
【００４５】
本発明は、マグノンレーザー、及び該マグノンレーザーをテラヘルツ波の発生に応用することに関する幾つかの実施形態を開示する。
【００４６】
（Ｉ．概念）
強磁性半導体における電子は、２つのグループ：半導体の電気伝導性を決定する自由電子と、その磁気特性を決定するイオン局在電子（ｄ−又はｆ−電子）に分けることが可能である。
【００４７】
これら電子の２つのグループ間の主な相互作用は交換相互作用であり、これは電子のスピン縮退を高める。伝導（価電子帯）は、スピンアップ（磁化に沿って）とスピンダウンを有する２つのサブバンドに分かれる。それに伴う交換ギャップはΔ = 2I<Sz>である。式中、Ｉは、伝導電子と局在スピンの交換エネルギーであり、<Sz>は、局在スピンの平均値である。キュリー温度Tcよりもかなり低い温度では、局在スピンの平均値<Sz>は、温度依存性である。：<Sz> = S
【００４８】
交換ギャップΔは、通常0.1eVよりも広い。例えば、EuOの交換ギャップは、Δ = 0.6eVである。（J.Lascaray, J.P. Desfours, and M. Averous, Sol. St. Com. 19, 677 (1976) を参照のこと。）
【００４９】
交換エネルギーが正、即ちI＞0である場合、スピンアップ（１２）を有するサブバンドの底部は、スピンダウン（１４）を有するサブバンドの底部よりも下に配される（図１）。通常、強磁性半導体では、ギャップΔ（１６）（図１）は、｛Tc，Ef｝の最大値よりも広い。式中、Efは電子のフェルミエネルギーである。したがって、より低いサブバンドにおける状態のみが平衡状態を占拠する、即ち、電子が完全に偏極している。
【００５０】
2010517317.tif 000003
【００５１】
2010517317.tif 000004
【００５２】
その一方、他の文献によれば（I. Ya. Korenblit, A. A. Samokhvalov and V. V. Osipov, in Sov. Sc. Rev. A, Physics, 8, 447. Harwood Ac. Publ., UK, 1987）、EuOの電子質量値はかなり異なり、m = 1.5m0である。この場合、放射線周波数の値についてもかなり異なる値が得られることになる：fr = 1.6THz。
【００５３】
2010517317.tif 000005
【００５４】
2010517317.tif 000006
【００５５】
2010517317.tif 000007
【００５６】
【数１】
2010517317.tif 000008
【００５７】
2010517317.tif 000009
【００５８】
【数２】
2010517317.tif 000010
【００５９】
式中、v0は単位格子容積である
【００６０】
γemは、電子−マグノン緩和速度であり、以下に示す。
【００６１】
【数３】
2010517317.tif 000011
【００６２】
スミアーδ−関数δ（γ／ε）は、光学フォノンとの相互作用（強磁性体半導体において強力である可能性がある）によって引き起こされた最終段階における電子の有限寿命を配慮し、これとともに化学結合に本質的に寄与するイオン性も考慮に入れる。
【００６３】
【数４】
2010517317.tif 000012
【００６４】
速度γ↑（p ，εp）は、縦光学フォノン（図１の２２）の放出によって生じる、公知の電子ダンピング速度である。Δに近いエネルギーεpを有する電子に関しては、この速度は、下式によって得られる。
【００６５】
【数５】
2010517317.tif 000013
【００６６】
ここで、Ωは、光学フォノンのエネルギーであって、αは、電子−フォノンの相互作用の強さである。
【００６７】
関数g（ε）は、スピンダウンを有する電子の発生関数である。我々は、これをδ−関数として扱うこととし、以下に示す。
【００６８】
【数６】
2010517317.tif 000014
【００６９】
2010517317.tif 000015
【００７０】
【数７】
2010517317.tif 000016
【００７１】
2010517317.tif 000017
【００７２】
【数８】
2010517317.tif 000018
【００７３】
2010517317.tif 000019
【００７４】
【数９】
2010517317.tif 000020
【００７５】
【数１０】
2010517317.tif 000021
【００７６】
2010517317.tif 000022
【００７７】
2010517317.tif 000023
【００７８】
【数１１】
2010517317.tif 000024
【００７９】
2010517317.tif 000025
【００８０】
g0が臨界値Gcを超えると、強力なポンピング領域となる。光学フォノンによる電子のダンピング（減衰）が（εΔ）1/2よりも小さい場合には、この臨界値は以下の式により得られる。
【００８１】
【数１２】
2010517317.tif 000026
【００８２】
g0＞Gcにおいて、関数N（q）はポンピングを伴って指数関数的に増加する。
【００８３】
【数１３】
2010517317.tif 000027
【００８４】
qが、なめらかな曲線領域（Smooth region）に該当する場合には、以下の式で表される。
【００８５】
【数１４】
2010517317.tif 000028
【００８６】
一方、上述した所定範囲外の波動ベクトルを有するN（q）は、ポンピングに依存しない。
【００８７】
2010517317.tif 000029
【００８８】
ここで、電子の数βを定義することにする。これは、単位格子あたり1秒あたりに送り出される数であり、下式で示される。
【００８９】
【数１５】
2010517317.tif 000030
【００９０】
方程式６で与えられるポンピングとして、下式が得られる。
【００９１】
【数１６】
2010517317.tif 000031
【００９２】
そして、g0 = Gcである場合、臨界ポンピングβcを以下に示す。
【００９３】
【数１７】
2010517317.tif 000032
【００９４】
2010517317.tif 000033
【００９５】
2010517317.tif 000034
【００９６】
2010517317.tif 000035
【００９７】
2010517317.tif 000036
【００９８】
2010517317.tif 000037
【００９９】
2010517317.tif 000038
【０１００】
【数１８】
2010517317.tif 000039
【０１０１】
臨界領域にある関数N（q）はg02に応じて増加し、発生したマグノンの波動ベクトル区間は１／g0に応じて減少する。
【０１０２】
【数１９】
2010517317.tif 000040
【０１０３】
本明細書では、主要な発生状態のみが考慮されていることを強調しておきたい。さらなる詳細は、次の文献内に確認できる（I. Ya. Korenblit and B. G. Tankhilevich, Sov. Phys. -JETP, 46, 1167 (1977)）。
【０１０４】
2010517317.tif 000041
【０１０５】
【数２０】
2010517317.tif 000042
【０１０６】
式中、Λを以下に示す。
【０１０７】
【数２１】
2010517317.tif 000043
【０１０８】
2010517317.tif 000044
【０１０９】
2010517317.tif 000045
【０１１０】
次の文献（ I. Ya. Korenblit and B. G. Tankhilevich, Sov.Phys. -JETP, 46, 1167 (1977)）に示される如く、０に近いθと、p0に近いｑを有するマグノンの最大発生が生じる。ポンピングが臨界値g＊に達する場合を以下に示す。
【０１１１】
【数２２】
2010517317.tif 000046
【０１１２】
2010517317.tif 000047
【０１１３】
【数２３】
2010517317.tif 000048
【０１１４】
2010517317.tif 000049
【０１１５】
【数２４】
2010517317.tif 000050
【０１１６】
θ = 0である時、この式の分母は０となる。方程式（１）の定常解は、ポンピング準位がg＊より下である場合のみ存在する。ポンピング準位が臨界値g＊に達した時、マグノン数のアバランシェ型の増加が起こり、その一方、これらの非平衡異方性マグノンの波動ベクトルは、磁化に沿って方向付けられ、p0と等しくなる。
【０１１７】
十分に低い温度では、３つのマグノンの双極子散乱は、上述した４つのマグノンの交換散乱よりも重要である可能性があることに留意されたい。しかしながら、３つのマグノンの散乱確率は、４つのマグノン交換散乱確率とは反対に、非常に異方性であり、sin2θcos2θに比例する。上記の場合には、θ = 0とθ = π／2を有するマグノンの不安定性が予測されるはずである。
【０１１８】
上記に開示した現象は、一般構造（ＧＳ）マグノンレーザーという非常に一般的な用語で説明可能である。一般構造（ＧＳ）マグノンレーザーは、（Ａ）非平衡マグノンを発生させるためのマグノン利得媒質（ＭＧＭ）と、（Ｂ）非平衡マグノンをＭＧＭにおいて発生させる手段とをさらに含む。一実施形態では、本発明のＧＳマグノンレーザーは、（Ｃ）サーモスタット（図示せず）をさらに含む。ここで、ＭＧＭは、サーモスタットに配され、サーモスタットは、ＭＧＭの温度を臨界温度より下に維持するように構成される。本発明の一実施形態では、ＭＧＭは、強磁性半導体、強磁性絶縁体、及び強磁性体からなる群から選択される。本発明の一実施形態では、手段（Ｂ）は、さらに、（Ｂ１）非平衡電子をＭＧＭに送り込むように構成された手段を含む。ここで、ＭＧＭにおいて非平衡電子が伝播することにより、非平衡マグノンを発生させる。
【０１１９】
他の実施形態では、図２は、本発明の四準位マグノンレーザーを図示する図（３０）を示す。本発明の本実施形態では、四準位マグノンレーザー（３０）は、四準位エネルギー構造をさらに含む。四準位エネルギー構造は、価電子帯に対応する最低エネルギー準位（３８）と、スピンダウンサブバンドに対応する最高エネルギー準位（３４）と、スピンアップサブバンドにおける、より低いエネルギー電子状態に対応する第１中間準位（３６）と、スピンアップサブバンドに対応する第２中間エネルギー準位（３２）とをさらに含む。最低エネルギー準位（３８）から最高エネルギー準位（３４）へと送り込まれた電子は、スピンアップサブバンドにおける、該より低いエネルギー電子状態（第１中間準位（３６））へと移り、送り込まれた電子のそれぞれがマグノンを放出する。スピンアップサブバンドにおける電子が、第１中間状態（３６）からスピンアップサブバンド（第２中間エネルギー準位（３２））の底部へと、光学フォノンを放出することにより移る。電子は、最低エネルギー準位（３８）から最高エネルギー準位（３４）へとポンピング手段（図示せず）を用いて送り込まれる。本発明の一実施形態では、従来のレーザーをポンピング手段として使用可能であり、電子を最低エネルギー準位（価電子帯）（３８）から最高エネルギー準位（３４）（スピンダウンサブバンド）へと送り込む。
【０１２０】
本発明の一実施形態では、四準位マグノンレーザー（図２の（３０））は、サーモスタット（図示せず）をさらに含む。ここで、磁性体がサーモスタットに配され、サーモスタットは臨界温度より下に磁性体の温度を維持するように構成される。
【０１２１】
次の実施形態では、図３は、本発明の三準位マグノンレーザー（５０）を示す。三準位マグノンレーザー（５０）は、三準位レーザー構造をさらに含む。三準位レーザー構造は、スピンダウンサブバンドに対応する最高エネルギー準位（５４）と、スピンアップサブバンドに対応する最低エネルギー準位（６２）と、スピンアップサブバンドにおける、より低いエネルギー電子状態に対応する中間エネルギー準位（５８）をさらに含む。本発明の本実施形態では、電子の外部源（図示せず）から最高エネルギー準位（５４）へと注入された電子（５２）が、スピンアップサブバンド（５８）における、該より低いエネルギー電子状態へと移り、注入された電子のそれぞれがマグノンを放出する。スピンアップサブバンドにおける電子は、中間エネルギー準位（５８）からスピンアップサブバンドの底部（６２）へと、光学フォノンを放出することにより移る。
【０１２２】
本発明の一実施形態では、注入手段（図示せず）は、強磁性体に印加された電場をさらに含む。本発明の一実施形態では、注入手段は、非偏極電子を外部源から強磁性体に注入するように構成される。注入されたスピンダウン電子は、最高エネルギー準位（５４）に存在する。本発明の他の実施形態では、注入手段は、偏極スピンダウン電子を外部源から最高エネルギー準位（５４）に注入するように構成される。偏極スピンダウン電子は、強磁性体の磁化方向と反対方向に偏極される。
【０１２３】
一実施形態では、本発明の三準位マグノンレーザー（図３の（５０））は、サーモスタット（図示せず）をさらに含む。磁性体がサーモスタットに配され、サーモスタットは、臨界温度より下に磁性体の温度を維持するように構成される。
【０１２４】
（ＩＶ．THz放射の発生）
本発明のＧＳマグノンレーザー（本発明の四準位マグノンレーザーと、本発明の三準位マグノンレーザーも同様）は、THz放射の発生に使用可能である。
【０１２５】
実際に、波動ベクトルqとq’を有する２つのマグノンを融合し、以下に示す波動ベクトル（数２５）と、下式（数２６）に等しい周波数vkとを有するフォトンを発生させる。
【０１２６】
【数２５】
2010517317.tif 000051
【０１２７】
【数２６】
2010517317.tif 000052
【０１２８】
式中、cは光速度である。
【０１２９】
2010517317.tif 000053
【０１３０】
同じ文献（M. I. Kaganov and V. M. Tsukernik, Sov.Phys. -JETP 37, 587 (1960)）の結果を用いて、フォトン分布関数の変化速度を導くことが可能であり、n（v）を以下に示す。
【０１３１】
【数２７】
2010517317.tif 000054
【０１３２】
式中、Wを以下に示す。
【０１３３】
【数２８】
2010517317.tif 000055
【０１３４】
式中、μはボーア磁子である。方程式（２７）の最後の項は、発生したフォトンの緩和を示し、πphは、フォトン緩和時間である。
【０１３５】
2010517317.tif 000056
【０１３６】
マグノン分布関数が等方性である場合、方程式（２７）を積分し、以下の方程式が得られる。
【０１３７】
【数２９】
2010517317.tif 000057
【０１３８】
本方程式を分析することにより、発生初期段階において、nがＮよりも小さい時、フォトン緩和が十分に小さい条件下で、フォトン数はＮ２に伴い増加することは明らかである。nの増加に伴い、方程式（２９）の負項は有意となり、フォトンは定常状態へと達し、dn／dt = 0となる。この場合、定常状態におけるフォトン数nの式を以下に示す。
【０１３９】
【数３０】
2010517317.tif 000058
【０１４０】
式中、w = 16W／15である。
【０１４１】
wπphが大きく、wπpｈ ≫ 1／Nである場合、フォトン数を以下に示す。
【０１４２】
【数３１】
2010517317.tif 000059
【０１４３】
一方で、１／N2 ≪ wπpｈ ≪ 1／Nである場合、フォトン数を以下に示す。
【０１４４】
【数３２】
2010517317.tif 000060
【０１４５】
最後に、フォトンの緩和がかなり速く、wπphN2 ≪ 1である場合、ポンピングは非効率的であり、下式となる。
【０１４６】
【数３３】
2010517317.tif 000061
【０１４７】
（Ｖ．応用可能な材質）
本発明のＭＧＭは、十分な数の非平衡マグノンを発生可能な任意の材質から選択することによって実施できる。この非平衡マグノンは、融合してフォトンとなることにより、THzフォトンを発生させる。例えば、強磁性半導体（ユーロピウムカルコゲニド及びカルコゲニドスピネル）、及び／又は強磁性絶縁体が、本発明のＭＧＭとして使用可能である。
【０１４８】
（ＶＩ．ポンピング方法）
本発明のＧＳマグノンレーザーを実施するためには、従来のレーザーポンピング手段を用いることができ、電子注入手段を用いることもできる。本発明の四準位マグノンレーザー（図２の（３０））を実施するためには、従来のポンピング手段を用いることが可能である。本発明の三準位マグノンレーザー（図３の（５０））を実施するためには、電子注入手段を用いることが可能である。
【０１４９】
（ＶII．使用方法）
一実施形態では、本発明のＧＳマグノンレーザーは、以下の工程（図示せず）を実施して非平衡マグノンを発生させるために用いることが可能である。工程とは、（Ａ）非平衡マグノンを発生させるためのＭＧＭを提供する工程と、（Ｂ）非平衡マグノンをＭＧＭにおいて発生させる工程である。上記で示した方程式（１−２４）を参照されたい。これら方程式（１−２４）は、ＭＧＭにおける非平衡電子の伝播がどのようにして非平衡マグノンの発生を引き起こすのかを示す。
【０１５０】
一実施形態では、本発明のＧＳマグノンレーザーは、以下の工程（図示せず）を実施してテラヘルツ放射を発生させるために用いることが可能である。工程とは、（Ａ）ＭＧＭを提供する工程と、（Ｂ）非平衡マグノンをＭＧＭにおいて発生させる工程と、（Ｃ）ＭＧＭで発生した非平衡マグノン間に融合工程を用いてテラヘルツフォトンを発生させる工程である。上記で示した方程式（１−３３）を参照されたい。これら方程式（１−３３）は、ＭＧＭにおける非平衡電子の伝播がどのようにして非平衡マグノンの発生を引き起こすのか、そしてどのようにして非平衡マグノンの融合によりTHzフォトンの発生がもたらされるのかを示す。
【０１５１】
一実施形態では、本発明の四準位マグノンレーザー（図２の（３０））は、以下の工程（図示せず）を実施して非平衡マグノンを発生させるために用いることが可能である。工程とは、（Ａ）四準位マグノンレーザーを提供する工程と、（Ｂ）電子を、最低エネルギー準位から最高エネルギー準位へとポンピング手段を用いて四準位マグノンレーザーに送り込む工程である。
【０１５２】
一実施形態では、本発明の四準位マグノンレーザー（図２の（３０））は、以下の工程（図示せず）を実施してテラヘルツ放射を発生させるために用いることも可能である。工程とは、（Ａ）四準位マグノンレーザーを提供する工程と、（Ｂ）電子を四準位マグノンレーザーに送り込む工程と、（Ｃ）四準位マグノンレーザーにおいて非平衡マグノンを発生させる工程と、（Ｄ）四準位マグノンレーザーで発生した非平衡マグノン間に融合工程を用いてテラヘルツフォトンを発生させる工程である。
【０１５３】
一実施形態では、本発明の三準位マグノンレーザー（図３の（５０））は、以下の工程（図示せず）を実施して非平衡マグノンを発生させるために用いることが可能である。工程とは、（Ａ）三準位マグノンレーザーを提供する工程と、（Ｂ）電子を、注入手段を用いて三準位マグノンレーザーに注入する工程である。
【０１５４】
一実施形態では、本発明の三準位マグノンレーザー（図３の（５０））は、以下の工程（図示せず）を実施してテラヘルツ放射を発生させるために用いることも可能である。工程とは、（Ａ）三準位マグノンレーザーを提供する工程と、（Ｂ）電子を三準位マグノンレーザーに注入する工程と、（Ｃ）三準位マグノンレーザーにおいて非平衡マグノンを発生させる工程と、（Ｄ）三準位マグノンレーザーで発生した非平衡マグノン間に融合工程を用いてテラヘルツフォトンを発生させる工程である。
【０１５５】
本発明の特定の実施形態である上述の記載事項は、図示及び説明を目的として示したものである。これらは、本発明を開示形態のみとして捉えたり、これら形態に制限したりすることを目的とするものではなく、様々な修正や変更形態が上記開示を考慮して可能であることは明らかである。実施形態は、本発明の原理と実際の応用を最適に説明するために選択及び記載されたものであって、当業者が好適に本発明を使用することを可能とし、また、特定の使用に適するように各種の修正を加えた様々な実施形態を可能とするものである。本発明の請求の範囲は、本明細書に添付された請求の範囲及びそれらの同等形態によって定義される。
【図１】
2010517317.tif 000062
【図２】
2010517317.tif 000063
【図３】
2010517317.tif 000064
【国際調査報告】
2010517317.tif 000065