(57)【要約】【課題】ピコ秒程度の立ち上がり時間を持つパルス磁場を発生させることができるパルス磁場発生装置を提供する。【解決手段】Ｐ型またはＮ型のフェリ磁性体１と、このフェリ磁性体１にフェムト秒からピコ秒程度の時間幅を持つパルス光４を照射するパルス光発生装置２と、このパルス光発生装置２からのパルス光４を照射することにより、フェリ磁性体１に磁化の変化を起こしパルス磁場を発生させるようにしたものである。【選択図】図１
2005085300.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）Ｐ型またはＮ型のフェリ磁性体と、
（ｂ）該フェリ磁性体にフェムト秒からピコ秒程度の時間幅を持つパルス光を照射するパルス光発生装置と、
（ｃ）該パルス光発生装置からのパルス光を照射することにより、前記フェリ磁性体に磁化の変化を起こしパルス磁場を発生させる手段とを具備することを特徴とするパルス磁場発生装置。
【請求項２】
請求項１記載のパルス磁場発生装置において、前記Ｐ型のフェリ磁性体がＦｅＣｒ2 Ｓ4 であることを特徴とするパルス磁場発生装置。
【請求項３】
請求項１記載のパルス磁場発生装置において、前記フェリ磁性体としてＮ型のフェリ磁性体を用い、初期状態としてＮ型フェリ磁性体の補償点の温度を制御することを特徴とするパルス磁場発生装置。
【請求項４】
請求項３記載のパルス磁場発生装置において、前記パルス光発生装置として時間遅延を持った複数のパルス光を発生させる機能をもつことを特徴とするパルス磁場発生装置。
【請求項５】
請求項３又は４記載のパルス磁場発生装置において、前記Ｎ型のフェリ磁性体がＬｉ−Ｃｒフェライトであることを特徴とするパルス磁場発生装置。
【請求項６】
請求項３又は４記載のパルス磁場発生装置において、前記Ｎ型のフェリ磁性体が希土類鉄ガーネットであることを特徴とするパルス磁場発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気記録媒体への書き込みや、現在提唱されている電子のスピン状態を利用したスピンエレクトロニクスにおいて、スピン状態の制御等を高速に行うためのパルス磁場発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、パルス磁場の発生には、コイルにパルス電流を流す方法が主に用いられて来た。しかし、この方式では、パルス幅の短いパルス磁場を発生させるためには、高速にパルス電流を制御する必要があるため、その発生は困難になる。
【０００３】
一方、強磁性体にピコ秒から数百フェムト秒程度の時間幅を持つ強いパルス光を照射すると磁気秩序が破壊され、数ピコ秒から数ナノ秒程度の時間で磁化の減少が起こることが知られている。
【０００４】
図９はかかる強磁性体の磁化の典型的な温度依存性を示す図である。この図において、横軸は温度Ｔ、縦軸は磁化Ｍを示している。
【０００５】
また、図１０（ａ）は、照射するパルス光強度Ｉ、図１０（ｂ）は強磁性体の実効的な温度Ｔ、図１０（ｃ）は強磁性体の磁化Ｍのそれぞれの時間変化を模式的に示している。
【０００６】
初期状態として温度Ｔ1 、磁化Ｍ1 にある強磁性体に、パルス光を照射すると、強磁性体の温度が実効的に上昇し（Ｔ2 ）、その結果として磁化ＭがＭ2 に減少する。このとき、磁化Ｍの減少にはτ程度の時間がかかる。τは温度や物質に依存し、短いものでは１ピコ秒以下であることが知られている。
【０００７】
図１１はフェリ磁性体の自発磁化の温度依存性の型を示す図である。
【０００８】
フェリ磁性体とは大きさの異なる磁気モーメントを持つ磁性原子が互いに逆向きに整列して、巨視的な磁化を発生させる磁性体である。
【０００９】
これらフェリ磁性体では二種類の磁性原子の磁気モーメントの振舞いが異なるため、単純な強磁性体とは異なる磁化の温度依存性を示す。その温度依存性によって、フェリ磁性体はＱ型〔図１１（ａ）〕、Ｒ型〔図１１（ｂ）〕、Ｐ型〔図１１（ｃ）〕、Ｎ型〔図１１（ｄ）〕に分類される。
【００１０】
この内、Ｐ型およびＮ型については、温度の上昇に伴い磁化の絶対値が増加する温度領域が存在する〔図１１（ｃ）、（ｄ）参照〕。
【００１１】
このような領域においてフェリ磁性体にパルス光を照射すると、二種類の磁性原子の光に対する応答の違いにより、磁化の増加が生じる。
【非特許文献１】Ｅ．Ｂｅａｕｒｅｐａｉｒｅ，ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．７６，ｐ．４２５０，（１９９６）．
【非特許文献２】Ｊ．Ｈｏｈｌｆｅｌｄ，ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．７８，ｐ．４８６１（１９９７）．
【非特許文献３】Ａ．Ｓｃｈｏｌｌ，ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．７９，ｐ．５１５８（１９９７）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述したように、従来のコイルにパルス電流を流すパルス磁場の発生方法では、ピコ秒程度の立ち上がり時間を持つパルス磁場を発生させるのは困難である。
【００１３】
本発明は、上記状況に鑑みて、ピコ秒程度の立ち上がり時間を持つパルス磁場を発生させることができるパルス磁場発生装置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】
【００１４】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕パルス磁場発生装置において、Ｐ型またはＮ型のフェリ磁性体と、このフェリ磁性体にフェムト秒からピコ秒程度の時間幅を持つパルス光を照射するパルス光発生装置と、このパルス光発生装置からのパルス光を照射することにより、前記フェリ磁性体に磁化の変化を起こしパルス磁場を発生させる手段とを具備することを特徴とする。
【００１５】
〔２〕上記〔１〕記載のパルス磁場発生装置において、前記Ｐ型のフェリ磁性体がＦｅＣｒ2 Ｓ4 であることを特徴とする。
【００１６】
〔３〕上記〔１〕記載のパルス磁場発生装置において、前記フェリ磁性体としてＮ型のフェリ磁性体を用い、初期状態としてＮ型フェリ磁性体の補償点の温度を制御することを特徴とする。
【００１７】
〔４〕上記〔３〕記載のパルス磁場発生装置において、前記パルス光発生装置として時間遅延を持った複数のパルス光を発生させる機能をもつことを特徴とする。
【００１８】
〔５〕上記〔３〕又は〔４〕記載のパルス磁場発生装置において、前記Ｎ型のフェリ磁性体がＬｉ−Ｃｒフェライトであることを特徴とする。
【００１９】
〔６〕上記〔３〕又は〔４〕記載のパルス磁場発生装置において、前記Ｎ型のフェリ磁性体が希土類鉄ガーネットであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、フェリ磁性体にフェムト秒からピコ秒程度の時間幅を持つパルス光を照射することにより、フェリ磁性体に磁化の変化を起こし、ピコ秒程度の立ち上がり時間を持つパルス磁場の発生を可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明は、パルス磁場発生装置において、Ｐ型またはＮ型のフェリ磁性体と、このフェリ磁性体にフェムト秒からピコ秒程度の時間幅を持つパルス光を照射するパルス光発生装置を有し、このパルス光発生装置からのパルス光を照射することにより、フェリ磁性体に磁化の変化を起こし、ピコ秒程度の立ち上がり時間を持つパルス磁場の発生を可能とする。
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【実施例１】
【００２３】
図１は本発明の実施例１を示すパルス磁場発生装置の模式図である。
【００２４】
この図において、１はＰ型またはＮ型のフェリ磁性体、２はパルス光発生装置、３は光学系、４はそのパルス光発生装置２から出射し、光学系３を介してフェリ磁性体１に照射されるフェムト秒からピコ秒程度の時間幅を持つパルス光（以下、単にパルス光という）、５はそのパルス光４のフェリ磁性体１への照射によって発生するパルス磁場（Ｈ）を示している。
【００２５】
このように、本発明のパルス磁場発生装置は、フェリ磁性体１に対し、パルス光４を照射するためのパルス光発生装置２と、適当な光学系３を有する。フェリ磁性体１は自発磁化Ｍを持ち、この自発磁化Ｍによりフェリ磁性体１の外部に磁場Ｈ５を発生させる。
【００２６】
図２及び図３は本発明の実施例１を示すＰ型のフェリ磁性体にパルス光を照射したときの変化の様子を模式的に示す図である。
【００２７】
図２はＰ型フェリ磁性体における、典型的な自発磁化の温度依存性を示している。また、図３（ａ）〜（ｄ）は、各時刻ｔにおける光強度Ｉ、フェリ磁性体の実効的な温度Ｔ、フェリ磁性体の磁化Ｍ、フェリ磁性体が外部に作る磁場Ｈをそれぞれ示している。
【００２８】
そこで、図２のＡ点に示されるように、パルス光の照射前にフェリ磁性体は温度Ｔ0 にあるとする。このときの自発磁化はＭ0 である。このフェリ磁性体に対して時刻ｔ0 にパルス光を照射する〔図３（ａ）〕。そのパルス光の照射によってフェリ磁性体の温度が実効的に上昇した状態が生成される〔図３（ｂ）〕。この時のフェリ磁性体の実効的な温度をＴ1 とする。フェリ磁性体の実効的な温度上昇に応じて、図２のＢ点に示されるように、フェリ磁性体の持つ磁化がＭ0 からＭ1 に増加する〔図３（ｃ）〕。結果としてフェリ磁性体が外部に作る磁場ＨがＨ0 からＨ1 に変化する〔図３（ｄ）〕。
【００２９】
このフェリ磁性体の実効的な温度上昇には、パルス光の照射後に時間τを要する。時間τは物質と温度に依存し、短かいものでは１ピコ秒以下である。従って、十分に短かい時間での磁場の変化を得るためには、時間τの小さい物質を選択することが望ましく、照射するパルス光の時間幅は時間τよりも十分に短かいことが望ましい。
【００３０】
その後、フェリ磁性体は熱を外部に散逸させることにより温度Ｔ0 に緩和する〔図３（ｂ）参照〕。これに伴い磁化はＭ0 に、磁場はＨ0 にそれぞれ回復する〔図３（ｃ）及び（ｄ）参照〕。この回復時間は物質やフェリ磁性体の形状に依存するが、およそ１０ナノ秒程度の時間である。
【００３１】
以上により、立ち上がり時間が１ピコ秒程度で磁場がＨ0 からＨ1 まで変化し、減衰時間が１０ナノ秒程度で磁場がＨ0 に回復するパルス磁場の発生が可能となる。
【００３２】
〔具体例〕
図４は本発明の実施例１の具体例を示す磁場発生装置の構成図である。
【００３３】
この図において、パルス光１２の発生装置（光源）１１としては、フェムト秒チタンサファイアレーザーと、その出力パルスを増幅する再生増幅器よりなり、さらに第二次高調波発生により波長を変換したものをパルス光１２として用いている。
【００３４】
また、パルス光１２の特性は、中心波長８００ｎｍ、時間幅約２００フェムト秒、照射強度は１平方センチメートルあたり８５μＪである。フェリ磁性体１３としては、ＦｅＣｒ2 Ｓ4 の単結晶を用いている。なお、１４は外部に設置される外部磁石であり、フェリ磁性体１３に０．２Ｔ以下の外部磁場を印加するようにしている。
【００３５】
図５は本発明の実施例１の具体例を示すフェリ磁性体ＦｅＣｒ2 Ｓ4 の自発磁化の温度依存性を示す図である。
【００３６】
この図に示すように、フェリ磁性体ＦｅＣｒ2 Ｓ4 は、１１０Ｋ付近に自発磁化の最大値をとるＰ型のフェリ磁性体となっている。
【００３７】
フェリ磁性体ＦｅＣｒ2 Ｓ4 は液体窒素により約７７Ｋに冷却されており、約０．２Ｔの外部磁場を永久磁石１４によって印加している。パルス光の照射による磁化の変化を、波長６５０ｎｍにおける磁気光学カー効果によって観測している。
【００３８】
図６は本発明の実施例１の具体例によって得られた、飽和磁化で規格化した磁化の変化（ΔＭ／Ｍ）の時刻ｔによる変化を示した図であり、横軸は時刻ｔ〔ｐｓ〕、縦軸は磁化の変化（ΔＭ／Ｍ）を示している。
【００３９】
この図に示されるように、時刻ｔが０の時点でフェリ磁性体にパルス光が照射されており、約５０ピコ秒で磁化の増加が起こっていることがわかる。
【００４０】
この具体例におけるパルス磁場の立ち上がり時間τは約５０ピコ秒であるが、パルス光の照射によるフェリ磁性体の温度上昇は、速いものでは１ピコ秒以下に達することが知られており（上記非特許文献１）、原理的には１ピコ秒程度の立ち上がり時間を有するパルス磁場の発生が可能である。
【実施例２】
【００４１】
図７は本発明の実施例２を示すＮ型フェリ磁性体における典型的な自発磁化の温度依存性を示しており、横軸は温度Ｔ、縦軸は磁化Ｍを示している。
【００４２】
この図に示すように、Ｎ型のフェリ磁性体には、各副格子磁化が均衡して自発磁化Ｍが０となる温度Ｔcomp（補償点）がある。
【００４３】
Ｔ0 ＝Ｔcompとして上記実施例１と同様の手続きを行うことにより（図３参照）、磁化Ｍ0 および磁場Ｈ0 をどちらも０とすることができる。
【００４４】
以上により、立ち上がり時間τが１ピコ秒程度で磁場が０からＨ1 まで変化し、減衰時間が１０ナノ秒程度で磁場が０に回復するパルス磁場の発生が可能となる。
【００４５】
Ｎ型の温度依存性を示すフェリ磁性体としては、Ｌｉ−Ｃｒフェライト、希土類鉄ガーネットなどが知られている。これらの磁性体の中には補償温度Ｔcompが室温以上の物もある。
【実施例３】
【００４６】
図８は、Ｎ型のフェリ磁性体にパルス光を照射したときの変化の様子を模式的に示す図である。
【００４７】
図８（ａ）〜（ｄ）は、時刻ｔにおける光強度Ｉ〔図８（ａ）〕、フェリ磁性体の実効的な温度Ｔ〔図８（ｂ）〕、フェリ磁性体の磁化Ｍ〔図８（ｃ）〕、フェリ磁性体が外部に作る磁場Ｈ〔図８（ｄ）〕をそれぞれ示している。
【００４８】
初期状態としてフェリ磁性体の温度をＴ0 ＝Ｔcompとし、時刻ｔ0 に第１のパルス光を照射する。すると、上記〔実施例１〕及び〔実施例２〕と同様の過程を経て時間τ程度の時間で磁場Ｈが０からＨ1 に増加する。
【００４９】
この状態のフェリ磁性体に対して、時刻ｔ1 に第２のパルス光を照射する。このとき、第２のパルス光照射後のフェリ磁性体の実効的な温度Ｔ2 が、転移温度Ｔc を超えるように第２のパルス光の強度〔図８（ａ）〕を設定することにより、フェリ磁性体の磁化を０に回復させることができる。
【００５０】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明のパルス磁場発生装置は、高速な磁気記録や、スピンを利用したスピンエレクトロニクスデバイス等の、高速な磁場変調を必要とする用途に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施例１を示すパルス磁場発生装置の模式図である。
【図２】Ｐ型フェリ磁性体における、典型的な自発磁化の温度依存性を示す図である。
【図３】時刻ｔにおける光強度Ｉ、フェリ磁性体の実効的な温度Ｔ、フェリ磁性体の磁化Ｍ、フェリ磁性体が外部に作る磁場Ｈを示す図である。
【図４】本発明の実施例１の具体例を示す磁場発生装置の構成図である。
【図５】本発明の実施例１の具体例を示すフェリ磁性体ＦｅＣｒ2 Ｓ4 の自発磁化の温度依存性を示す図である。
【図６】本発明の実施例１の具体例によって得られた、飽和磁化で規格化した磁化の変化（ΔＭ／Ｍ）の時刻ｔによる変化を示した図である。
【図７】本発明の実施例２を示すＮ型フェリ磁性体における典型的な自発磁化の温度依存性を示す図である。
【図８】Ｎ型のフェリ磁性体にパルス光を照射したときの変化の様子を模式的に示す図である。
【図９】強磁性体の磁化の典型的な温度依存性を示す図である。
【図１０】パルス光強度Ｉ、強磁性体の温度Ｔ、強磁性体の磁化Ｍのそれぞれの時間変化を模式的に示す図である。
【図１１】フェリ磁性体の自発磁化の温度依存性の型を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１    Ｐ型またはＮ型のフェリ磁性体
２，１１    パルス光発生装置
３    光学系
４，１２    パルス光
５    パルス磁場（Ｈ）
１３    フェリ磁性体（ＦｅＣｒ2 Ｓ4 ）
１４    永久磁石（外部磁石）
【図１】
2005085300.tif 000003
【図２】
2005085300.tif 000004
【図３】
2005085300.tif 000005
【図４】
2005085300.tif 000006
【図５】
2005085300.tif 000007
【図６】
2005085300.tif 000008
【図７】
2005085300.tif 000009
【図８】
2005085300.tif 000010
【図９】
2005085300.tif 000011
【図１０】
2005085300.tif 000012
【図１１】
2005085300.tif 000013