磁気特性測定装置および磁気特性測定方法
【課題】強磁性体の磁気特性測定において、試料の異方性磁場Ｈaniを容易に求める技術を提供する。
【解決手段】磁気特性測定装置１は、磁性体の試料Ｆに高繰り返し周波数νLのパルスレーザを照射するレーザ光源２と、試料Ｆに磁場Ｈextを印加する外部磁場印加手段４と、ビームスプリッタ７と、反射板８が設けられた移動ステージ１１とを備え、パルスレーザ光として連続して照射される複数パルスをビームスプリッタ７で分離したときのビーム１とビーム２とを試料Ｆに重ねて照射するときの遅延時間ｔintを移動ステージ１１により制御し、試料Ｆの磁化の歳差運動を、レーザの繰り返し周波数νLに同期させ、試料Ｆへ光を照射したときに誘起される磁化の歳差運動をパルスレーザに共鳴させて、外部磁場Ｈextに応じた試料ＦのＭＯ信号Θを偏光検出器５で検出し、制御装置６により試料Ｆの異方性磁場Ｈaniを算出する。
【解決手段】磁気特性測定装置１は、磁性体の試料Ｆに高繰り返し周波数νLのパルスレーザを照射するレーザ光源２と、試料Ｆに磁場Ｈextを印加する外部磁場印加手段４と、ビームスプリッタ７と、反射板８が設けられた移動ステージ１１とを備え、パルスレーザ光として連続して照射される複数パルスをビームスプリッタ７で分離したときのビーム１とビーム２とを試料Ｆに重ねて照射するときの遅延時間ｔintを移動ステージ１１により制御し、試料Ｆの磁化の歳差運動を、レーザの繰り返し周波数νLに同期させ、試料Ｆへ光を照射したときに誘起される磁化の歳差運動をパルスレーザに共鳴させて、外部磁場Ｈextに応じた試料ＦのＭＯ信号Θを偏光検出器５で検出し、制御装置６により試料Ｆの異方性磁場Ｈaniを算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性体の磁気特性を測定する技術に関し、特に、強磁性体の異方性磁場等の磁気特性を測定する磁気特性測定装置および磁気特性測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）やスピンＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）に代表されるスピントロニクスデバイスは、スピン注入磁化反転という新技術に基づいて作製されている。スピン注入磁化反転は、デバイス中の磁化の向きを、スピンが揃った電子の流れ（電流）で制御するものである。このスピン注入磁化反転の技術分野においては、近年、理論と実験の両面から非常に多くの研究が行われており、磁化を制御するために必要な臨界電流Ｉcを低減することが強く求められている。これが実現すれば、スピントロニクスデバイスにおいて、飛躍的な性能向上が期待され、応用の幅も広がる。
【０００３】
従来の理論研究から、臨界電流Ｉcの値を小さくするためには、異方性磁場Ｈaniの値が小さい磁性体や、ダンピングファクタと呼ばれるパラメータαの値が小さい磁性体を選べばよいという指針が得られる。ここで、異方性磁場Ｈaniは、磁性イオンの交換相互作用などに起因する有効的な内部磁場であり、パラメータαは、磁化の歳差運動の緩和過程を表す現象論的なパラメータである。しかしながら、異方性磁場Ｈaniやパラメータαが物質によってどのように変化するのかについては、明らかにされてはいない。以上の理由により、様々な物質の異方性磁場Ｈaniとパラメータαとに関する研究が進められている。
【０００４】
近年、例えば、非特許文献１に示すように、超高速時間分解磁気光学分光法を用いて、異方性磁場Ｈaniやパラメータαを決定する研究成果等が報告されている。これらの研究は、以下の原理に基づくものである。強磁性体に光を照射すると、温度上昇やキャリア濃度の変化により、磁気異方性が変化し、磁化（磁化ベクトル）が歳差運動を始めるという現象が生じる。そこで、これらの研究では、フェムト秒の時間分解磁気光学測定法を駆使して、磁化の歳差運動を観測し、理論モデルを用いた計算により観測データを解析して、異方性磁場Ｈaniとパラメータαとを決定する。
【０００５】
また、常磁性体の化合物半導体に円偏光を照射すると、スピン偏極したキャリア（キャリアスピン）が生成することが知られている。そして、フォイクト配置（Voigt配置、フォークト配置ともいう）で磁場を印加すると、キャリアスピンは、印加磁場の大きさを反映した周期で歳差運動を始める。この振る舞いは、およそ８０［ＭＨｚ］のパルス繰り返し周期のモードロックパルスレーザから出力されるパルス光を使用した超高速時間分解分光法により観測することができる。なお、フォイクト配置は、光の進行方向と直交する方向に磁界が印加されるような配置である。
【０００６】
そして、常磁性体のキャリアスピンの緩和時間よりもパルス光（レーザ光）の繰り返し周期の方が短い場合、複数のパルス光励起により注入されたスピンの歳差運動が互いに干渉する。その結果、パルス光の繰り返し周期が、キャリアスピンの歳差運動の周期の整数倍になるときに、キャリアスピンの歳差運動の振幅が、共鳴的に増幅する現象が生じる(非特許文献３参照)。この現象は、Resonant Spin accumulation（ＲＳＡ）と名付けられている。
【０００７】
一方、強磁性体においてスピンの挙動は、常磁性体におけるスピンの挙動とは異なる。すなわち、強磁性体の場合には、互いに相互作用し合って一方向に配向した集団的な多数のスピンの挙動を考えなければならない。ただし、この場合にも、強磁性体に複数のパルス光を照射することで、常磁性体と同様に、スピンの歳差運動の干渉が起こることは、実験的に示され、理論的にもよく説明されている（非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Y. Hashimoto et al.,” Photoinduced Precession of Magnetization in Ferromagnetic (Ga,Mn)As ”, Phys. Rev. Lett., 100, 067202(2008)
【非特許文献２】Y. Hashimoto et al.,” Coherent manipulation of magnetization precession in ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)As with successive optical pumping”, Appl. Phys. Lett., 93, 202506(2008)
【非特許文献３】J. M. Kikkawa and D. D.Awschalom, ”Resonant Spin Amplification in n-Type GaAs”， Phys. Rev. Lett. Vol.80, No.19, 4313(1998)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、強磁性体の異方性磁場Ｈaniとパラメータαを決定するために従来から用いられている強磁性共鳴法や超高速時間分解磁気光学分光法には、以下の問題がある。
例えば、超高速時間分解磁気光学分光法は、１本のパルス光照射により誘起される磁気光学効果の変化を観測する。そのために、測定精度が充分とは言えず、また、強磁性体の試料の種類によっては評価することができない。さらに加えて、実験には大きく高価な測定装置と、熟練した実験技術とが必要不可欠である。なお、強磁性共鳴法も、実験には大きく高価な測定装置と、熟練した実験技術とが必要不可欠である。
【００１０】
そこで、本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、強磁性体の試料の異方性磁場等の磁気特性を精度よく、安価で簡便に測定することができる技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するために、請求項１に記載の磁気特性測定装置は、所定の繰り返し周波数のレーザ光を強磁性体の試料に照射することで、当該試料の有効内部磁場または、異方性磁場を含む磁気特性を測定する磁気特性測定装置であって、レーザ光源と、外部磁場印加手段と、ビームスプリッタと、第１の反射板が配設された移動可能な移動ステージと、第２の反射板と、偏光成分検出手段と、制御装置とを備えることとした。
【００１２】
かかる構成によれば、磁気特性測定装置において、レーザ光源によって、前記強磁性体の試料の磁化の歳差運動の周期に同期可能な繰り返し周期の連続した複数パルスのレーザ光を前記試料に照射し、外部磁場印加手段によって、前記試料に所定の磁場を印加する。そして、磁気特性測定装置において、ビームスプリッタによって、前記複数パルスのレーザ光を第１のビームおよび第２のビームに分離し、第１のビームを前記試料に導くと共に、第１の反射板によって、前記ビームスプリッタで分離した第２のビームを反射し、さらに第２の反射板によって、前記第２のビームを前記試料に導くように反射する。ここで、移動ステージを移動させて、分離した各ビームの光路長差を変化させることで、試料に到達する時間差を設定することができる。この時間差は、パルス周期以下であればよいので、従来の移動ステージと比較して格段に小型することができる。そして、この場合、レーザ光源が出射した１つのパルス光は、第１のビームに続いて、第１および第２の反射板を経由したことで遅延した第２のビームが遅延して試料の同じ部位に到達する。また、レーザ光源が出射した連続した複数のパルス光は同様にそれぞれ分離して連続して試料を励起するポンプ光かつプローブ光として作用する。
【００１３】
そして、磁気特性測定装置において、偏光成分検出手段によって、前記分離した各ビームが前記試料で反射した反射光、または、前記分離した各ビームが前記試料を透過した透過光を受光してその偏光成分を検出した磁気光学信号を出力する。ここで、偏光成分検出手段は、例えば、磁気光学信号を直接検出する偏光検出器で構成することができる。このように構成した場合、試料で反射した反射光が偏光検出器に入射する場合には、カー効果の原理により磁気特性としての偏光成分を検出し、試料を透過した透過光が偏光検出器に入射する場合には、ファラデー効果の原理により磁気特性としての偏光成分を検出する。
【００１４】
そして、磁気特性測定装置において、制御装置によって、前記試料の磁化の歳差運動が前記パルスの繰り返し周期に同期したことを示す第１共鳴条件において前記試料に印加されていた外部磁場の情報を予め取得し、当該外部磁場を前記試料に印加し、かつ、前記分離した各パルスビームを前記試料に照射したときに、前記試料の磁化の歳差運動が前記連続した複数パルスに共鳴するときの前記移動ステージの位置を第２共鳴条件として取得し、前記外部磁場の大きさと、前記第２共鳴条件において検出した前記磁気光学信号および前記移動ステージの位置と、前記繰り返し周期との各情報を用いて、ＬＬＧ（Landau-Lifshitz-Gilbert）方程式に基づいて、前記試料の有効内部磁場または異方性磁場を算出する。
【００１５】
また、前記目的を達成するために、請求項２に記載の磁気特性測定装置は、所定の繰り返し周波数のレーザ光を強磁性体の試料に照射することで、当該試料の有効内部磁場または、異方性磁場を含む磁気特性を測定する磁気特性測定装置であって、レーザ光源と、外部磁場印加手段と、ビームスプリッタと、反射板が配設された移動可能な移動ステージと、ハーフミラーと、偏光成分検出手段と、制御装置とを備えることとした。
【００１６】
かかる構成によれば、磁気特性測定装置において、レーザ光源によって、前記強磁性体の試料の磁化の歳差運動の周期に同期可能な繰り返し周期の連続した複数パルスのレーザ光を前記試料に照射し、外部磁場印加手段によって、前記試料に所定の磁場を印加する。そして、磁気特性測定装置において、ビームスプリッタによって、前記複数パルスのレーザ光を分離し、反射板によって、前記ビームスプリッタで分離した一方のビームを反射し、ハーフミラーによって、前記一方のビームを透過して前記試料に導くと共に、前記反射板で反射した他方のビームを前記一方のビームと同じ光路へ反射する。ここで、移動ステージを移動させて、分離した各ビームの光路長差を変化させることで、試料に到達する時間差を設定することができる。かかる磁気特性測定装置は、請求項１に記載の反射板およびハーフミラーの組を、第１および第２の反射板に置き換えたものであり、請求項１に記載の磁気特性測定装置と同様に、偏光成分検出手段により偏光成分を検出し、制御装置によって、試料の有効内部磁場または異方性磁場を算出することができる。なお、同様に、レーザ光源が出射した連続した複数のパルス光は、それぞれ分離して連続して試料を励起するポンプ光かつプローブ光として作用する。
【００１７】
また、請求項３に記載の磁気特性測定装置は、請求項１または請求項２に記載の磁気特性測定装置において、前記制御装置が、前記第２共鳴条件として、前記レーザ光のパルスの繰り返し時間の時間間隔と前記ビームスプリッタで分離した２つのビームの遅延時間との比が自然数である場合の移動ステージの位置を用いて、前記試料の有効内部磁場または異方性磁場を算出することとした。
【００１８】
かかる構成によれば、磁気特性測定装置において、制御装置は、分離した２つのビームの遅延時間が、レーザパルスの繰り返し周期を自然数で除した時間となる場合の移動ステージ位置を用いて試料の異方性磁場を算出する。したがって、試料の磁化の歳差運動がパルスの繰り返し周期に同期したことを示す第１共鳴条件において、磁化の有効的な内部磁場の大きさが、磁化がレーザパルスに共鳴するときの磁場の大きさの最低値の整数倍である場合に、この共鳴するときの磁場の最低値を求めることができる。したがって、強磁性体の試料の磁気異方性を一意に特定することができる。
【００１９】
また、請求項４に記載の磁気特性測定装置は、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の磁気特性測定装置において、前記制御装置が、ＬＬＧ方程式による理論計算から予め求められた、前記試料の有効的な内部磁場に対して試料の磁気光学信号の絶対値が最小となるときの磁場範囲を、ＬＬＧ方程式に基づく理論モデルを用いてフィッティングすることで、当該試料の磁気特性として当該試料固有のダンピングファクタの値をさらに算出することとした。
【００２０】
かかる構成によれば、磁気特性測定装置において、試料の有効内部磁場、異方性磁場Ｈaniに加えて、試料のダンピングファクタαの値も求めることが可能となる。
【００２１】
また、請求項５に記載の磁気特性測定装置は、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の磁気特性測定装置において、前記試料と前記レーザ光源との間に集光レンズをさらに備えることとしてもよい。
【００２２】
かかる構成によれば、磁気特性測定装置は、分離した２つのビームを集光レンズにより集光する。したがって、集光レンズが光励起強度を高めることで、試料の磁気特性の測定において、磁気光学信号の検出分解能を向上させ、かつ空間分解能を向上させることができる。
【００２３】
また、請求項６に記載の磁気特性測定装置は、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の磁気特性測定装置において、前記偏光成分検出手段が、前記分離した各ビームが前記試料で反射した反射光、または、前記分離した各ビームが前記試料を透過した透過光の強度を検出する光量検出手段と、前記レーザ光源から前記試料に照射されるパルス光の光路の途中に配置され、入射するパルス光を所定周波数で交互に左回り円偏光と右回り円偏光に切り替えて出力する光弾性変調器と、前記光弾性変調器でパルス光を変調する前記周波数信号を参照信号として、前記光量検出手段が検出する光強度信号から前記偏光成分を測定した結果を前記磁気光学信号として前記制御装置に出力するロックインアンプとを備えることとした。
【００２４】
かかる構成によれば、磁気特性測定装置において、偏光成分検出手段は、光量検出手段と、光弾性変調器と、ロックインアンプとを備え、時間変調された光強度から間接的に磁気光学信号を検出する。つまり、試料で反射した反射光、または、試料を透過した透過光が光量検出手段に入射したときに、ロックインアンプが円二色性の原理にしたがって、左回り円偏光と右回り円偏光の差から磁気特性としての偏光成分を検出する。
【００２５】
また、前記目的を達成するために、請求項７に記載の磁気特性測定方法は、レーザ光源と、ビームスプリッタと、第１の反射板が設置された移動ステージと、第２の反射板またはハーフミラーと、外部磁場印加手段と、偏光成分検出手段と、制御装置とを備えると共に強磁性体の試料の有効内部磁場または異方性磁場を含む磁気特性を測定する磁気特性測定装置の磁気特性測定方法であって、前記磁気特性測定装置が、前記試料の磁化の歳差運動の周期を前記パルスの繰り返し周期に同期したことを示す第１共鳴条件において前記試料に印加されていた外部磁場の情報を予め取得し、前記試料の磁化の歳差運動が前記連続した複数パルスに共鳴するときの前記移動ステージの位置を第２共鳴条件として探索する第２共鳴条件探索段階と、前記第２共鳴条件が探索されたときに、前記試料の有効内部磁場または異方性磁場を求める磁場算出段階とを実行し、前記第２共鳴条件探索段階は、所定条件が成立するまで繰り返す一連の処理として、第１ステップと、第２ステップと、第３ステップと、第４ステップと、第５ステップと、第６ステップとを含むこととした。
【００２６】
かかる手順によれば、磁気特性測定方法では、第１ステップにて、前記外部磁場印加手段によって、前記取得した外部磁場を前記試料に印加する。また、磁気特性測定方法では、第２ステップにて、前記レーザ光源によって、前記試料の磁化の歳差運動の周期に同期可能な繰り返し周期の連続した複数パルスのレーザ光を出力し、前記ビームスプリッタと前記第１の反射板と、前記第２の反射板またはハーフミラーとを介して、前記出力された各パルスビームをそれぞれ分離して一方のビームよりも他方のビームを遅延させて前記試料に照射する。また、磁気特性測定方法では、第３ステップにて、前記偏光成分検出手段によって、前記分離した各ビームが前記試料で反射した反射光、または、前記分離した各ビームが前記試料を透過した透過光を受光して偏光成分を検出した磁気光学信号を出力する。なお、磁気特性測定方法においては、試料に磁場を印加しつつレーザ光を照射した状態で試料からの光により偏光成分を検出する。そのため、第１ないし第３ステップは、外部磁場印加手段と、レーザ光源と、偏光成分検出手段とが協働して実行する。
【００２７】
そして、磁気特性測定方法では、前記制御装置によって、第４ないし第６ステップを実行する。すなわち、制御装置は、まず、第４ステップにて、前記磁気光学信号の絶対値が最小となったか否かを判定することで前記所定条件が成立したか否かを判定する。前記磁気光学信号の絶対値が最小となっていない場合に、制御装置は、第５ステップにて、前記移動ステージを移動させる。一方、前記磁気光学信号の絶対値が最小となった場合に、制御装置は、第６ステップにて、前記移動ステージの位置を前記第２共鳴条件として求める。そして、磁気特性測定方法において、前記磁場算出段階にて、前記制御装置によって、前記第２共鳴条件が求められたときに、当該第２共鳴条件において検出した前記磁気光学信号および前記移動ステージの位置と、前記取得した外部磁場の大きさと、前記繰り返し周期との各情報を用いて、ＬＬＧ方程式に基づいて、前記試料の有効内部磁場または異方性磁場を求める。
【発明の効果】
【００２８】
請求項１または請求項２に記載の発明によれば、磁気特性測定装置において、試料を複数のレーザ光で励起するので、強磁性体の試料の異方性磁場等の磁気特性を精度よく、安価で簡便に測定することができる。また、本発明によれば、移動ステージは、移動範囲が数ｃｍ程度で済むので、従来の数ｍ単位の移動範囲を有する移動ステージと比較して数十分の１程度に小型化することできる。また、強磁性体の試料の磁化の歳差運動の周期に同期可能な繰り返し周期のパルスレーザを出力するレーザ光源は、従来の８０［ＭＨｚ］程度の繰り返し周期のレーザ光源に比べて格段に小さい。したがって、磁気特性測定装置は、装置全体としても、従来と比べて１／５〜１／１０程度のサイズに小型化できる。
【００２９】
請求項３に記載の発明によれば、磁気特性測定装置は、強磁性体の試料の磁気異方性を一意に特定することができる。
請求項４に記載の発明によれば、磁気特性測定装置は、強磁性体の試料のダンピングファクタの値を算出することができる。
【００３０】
請求項５に記載の発明によれば、磁気特性測定装置は、強磁性体の試料の磁気特性の測定において空間分解能を向上させることができる。
請求項６に記載の発明によれば、磁気特性測定装置は、偏光成分検出手段を安価な光量検出手段を用いて構成することができる。
【００３１】
請求項７に記載の発明によれば、磁気特性測定方法において、強磁性体の試料の磁化の歳差運動の周期に同期可能な繰り返し周期のパルスレーザによって試料を複数のポンプ光およびプローブ光の組で励起するので、強磁性体の試料の有効内部磁場または異方性磁場等の磁気特性を精度よく、安価で簡便に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る磁気特性測定装置の構成図である。
【図２】本発明における磁化の歳差運動を示す概念図であって、（ａ）は平衡状態、（ｂ）はパルス光の照射直後、（ｃ）はパルス光の照射後に磁化が向く方向をそれぞれ示している。
【図３】本発明における磁化の歳差運動の干渉を概念的に示すタイミングチャートであって、（ａ）は非共鳴時の歳差運動、（ｂ）は共鳴時の歳差運動、（ｃ）はパルスレーザの出力タイミングをそれぞれ示している。
【図４】本発明における有効内部磁場Ｈeffを変化させたときのＭＯ信号の一例を示すグラフである。
【図５】本発明におけるダンピングファクタαを変化させたときのＭＯ信号の一例を示すグラフであって、（ａ）はδＭx、（ｂ）はδＭy、（ｃ）はδＭzをそれぞれ示している。
【図６】本発明におけるビーム遅延時間に対するパルス繰り返し周期の割合Ｎ2と分離パルスビームとの関係を概念的に示すタイミングチャートであって、（ａ）は共鳴時の歳差運動、（ｂ）はＮ2＝１の分離パルスビーム、（ｃ）はＮ2＝２の分離パルスビーム、（ｄ）はＮ2＝４の分離パルスビームの照射タイミングをそれぞれ示している。
【図７】本発明の磁気特性測定方法の流れを示すフローチャートである。
【図８】本発明の第１実施形態に係る磁気特性測定装置の制御装置の構成例を示すブロック図である。
【図９】本発明における第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝１である場合にｔrep／ｔintに対するＭＯ信号の一例を示すグラフである。
【図１０】本発明における第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝２である場合にｔrep／ｔintに対するＭＯ信号の一例を示すグラフである。
【図１１】本発明における第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝３である場合にｔrep／ｔintに対するＭＯ信号の一例を示すグラフである。
【図１２】本発明における第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝４である場合にｔrep／ｔintに対するＭＯ信号の一例を示すグラフである。
【図１３】本発明における第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝５である場合にｔrep／ｔintに対するＭＯ信号の一例を示すグラフである。
【図１４】本発明の第２実施形態に係る磁気特性測定装置の構成図である。
【図１５】本発明の第３実施形態に係る磁気特性測定装置の構成図である。
【図１６】本発明の第４実施形態に係る磁気特性測定装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図面を参照して本発明の磁気特性測定装置および磁気特性測定方法を実施するための形態の第１〜第４実施形態について詳細に説明する。以下では、説明の都合上、第１実施形態として、１．磁気特性測定装置の概要、２．理論モデルの概要、３．磁気特性測定方法の全体の流れ、４．磁気特性測定装置の制御装置の構成例、５．計算機シミュレーションによる具体例の各章について説明した後、第２〜第４実施形態を順次説明することとする。
【００３４】
（第１実施形態）
［１．磁気特性測定装置の概要］
図１は、本発明の第１実施形態に係る磁気特性測定装置の構成図である。
磁気特性測定装置１は、所定の繰り返し周期ｔrepのレーザ光を強磁性体の試料Ｆに照射することで、当該試料Ｆの異方性磁場Ｈaniを含む磁気特性を測定するものである。
磁気特性測定装置１は、図１に示すように、レーザ光源２と、光学系３と、外部磁場印加手段４と、偏光検出器５と、制御装置６とを備えている。
【００３５】
レーザ光源２は、強磁性体の試料Ｆの磁化の歳差運動の周期ＴMに同期可能な繰り返し周期ｔrepの連続した複数パルスのレーザ光をポンプ光かつプローブ光として照射するものである。ここで、レーザ光源２の繰り返し周波数νL（＝１／ｔrep）は、磁気特性測定対象の試料に応じて、例えば、１００［ＭＨｚ］から１［ＴＨｚ］の範囲で予め設定しておく。ここで、レーザ光源２の繰り返し周期ｔrepは、試料Ｆの磁化の歳差運動の周期ＴMよりも小さいことが好ましい。
【００３６】
本実施形態では、レーザ光源２の一例として、繰り返し周波数νLが例えば３〜５［ＧＨｚ］のモードロックレーザを使用するものとして説明する。なお、この場合、レーザ光源２は、３［ＧＨｚ］の一定の繰り返し周波数のパルスレーザを出力する専用装置としてもよいし、繰り返し周波数を３［ＧＨｚ］で出力するモードと、５［ＧＨｚ］で出力するモードとを切り替えることのできる汎用装置としてもよい。
【００３７】
光学系３は、図１に示すように、例えば、偏光素子としてのビームスプリッタ７と、反射板（第１の反射板）８と、反射板（第２の反射板）９とを備えている。
ビームスプリッタ７は、レーザ光源２から出力される複数パルスのレーザ光を分離するものであり、レーザ光を直線偏光とする。なお、偏光素子として、直線偏光板をさらに備える構成としてもよい。
【００３８】
反射板８は、移動ステージ１１上に配設されている。この光学系３において、ビームスプリッタ７で分離された１つのビーム（以下、ビーム１という）は、直進して試料Ｆに入射する。また、もう１つのビーム（以下、ビーム２という）は、ビームスプリッタ７で方向を変えて、反射板８で反射し、続いて反射板９で反射させ、これら、ビーム１、ビーム２を共に試料Ｆの同じ部位に入射する。そして、移動ステージ１１は、例えば、反射板８へのビーム２の入射方向に対して移動可能に構成されている。
【００３９】
なお、本実施形態では、図１に示すように、光学系３は、反射板９と試料Ｆとの間に集光レンズ１０をさらに備えることも可能で、ビーム１およびビーム２を集光レンズ１０によりそれぞれ集光して試料Ｆに照射できるように構成した。
【００４０】
外部磁場印加手段４は、基板１２に固定された試料Ｆに所定の磁場を印加するものであり、例えば、電磁石で構成される。この外部磁場印加手段４は、後記するように、試料Ｆに磁場を印加することで、試料Ｆにおいて磁化の歳差運動の周期を制御する。本実施形態では、外部磁場印加手段４で印加する磁場（外部磁場Ｈext）の方向を、試料Ｆの異方性磁場Ｈaniの方向と平行であるものとした。つまり、一例として、試料Ｆの有効内部磁場Ｈeffの方向が面内方向である場合には、図１に示すように、外部磁場印加手段４は、試料Ｆに対して面内磁場を印加できるように配設される。なお、試料Ｆに印加する外部磁場Ｈextの大きさ（値）の変化に応じて、試料Ｆにおける有効内部磁場Ｈeffの大きさは変化し、外部磁場Ｈextが試料Ｆに印加されていない場合には、有効内部磁場Ｈeffの大きさは異方性磁場Ｈaniの大きさと等しくなる。
【００４１】
基板１２は、例えば、数〜数十［ｎｍ］程度の薄い膜状の試料Ｆを固定するために設けられており、試料Ｆを固定することができれば、そのサイズ、形状、材質等が限定されるものではない。例えば、試料Ｆを基板１２上にスパッタリング法等により積層する場合には、シリコン（Ｓｉ）やガラス等の一般的な基板材料を用いることができる。このとき、基板１２の厚さや大きさは数［ｍｍ］程度とすることができる。
【００４２】
偏光検出器（偏光成分検出手段）５は、複数パルスのレーザ光から分離されたビームが試料Ｆで反射した反射光をそれぞれ受光してその偏光成分を検出し、この検出した、偏光成分を示す磁気光学信号（magneto-optical信号：以下、ＭＯ信号という）を制御装置６に出力する。以下では、偏光検出器５がビーム２のみを受光する実験条件での結果を示す（図９〜図１３：説明は後記する）。そのため、偏光検出器５の前段に、光遮蔽板１３を配設した。光遮蔽板１３はビーム１を遮り、ビーム２だけが透過できるようにする。なお、逆にビーム１のみを透過させて観測したときや、またはビーム１とビーム２を共に観測したときも、同様の結果が得られることが分かっている。
【００４３】
制御装置６は、例えば、一般的なパーソナルコンピュータ等から構成される。制御装置６は、偏光検出器５で検出したＭＯ信号を取得し、取得したデータを、ＬＬＧ（Landau-Lifshitz-Gilbert）方程式に基づく理論モデルを用いて解析することで、試料Ｆの磁気特性として、有効内部磁場Ｈeffの値とパラメータα（以下、ダンピングファクタαという）の値とを決定するものである。
【００４４】
［２．理論モデルの概要］
この章では、２．１磁化の歳差運動、２．２磁化の歳差運動の干渉、２．３ＭＯ信号の各節について順次説明することとする。
＜２．１ 磁化の歳差運動＞
まず、理論モデルの前提として、磁化の歳差運動について説明する。理論モデルを説明するための概念図を図２に示す。図２では、薄い膜状の試料Ｆが固定される平面をｘｙ平面、その平面の法線方向をｚ軸として示した。つまり、レーザ光源２から照射されるパルス光の照射方向は、ｚ軸方向である。また、図２（ａ）に示す平衡状態においては、試料Ｆの磁化ベクトルＭ（以下、単に磁化Ｍという）と有効内部磁場ベクトルＨeff（以下、単に有効内部磁場Ｈeffという）は、図示するようにｘ軸方向に向いているものとする。
【００４５】
つまり、磁化Ｍは、式（１）で表され、同様に、有効内部磁場Ｈeffは式（２）で表される。なお、式（１）に示すＭsは磁化のｘ成分の大きさ（飽和磁化）を表し、式（２）に示すＨ0は有効内部磁場のｘ成分の大きさを表している。
【００４６】
【数１】
【００４７】
この平衡状態において、光を磁性体に照射すると、物質の温度上昇やキャリア濃度の変化により磁気異方性が変化する。ここでは、図２（ｂ）に示すように、レーザ光源２から試料Ｆに照射されるパルス光の照射直後に、パルス光に起因した磁気異方性の変化が生じて、有効内部磁場Ｈeffがｚ軸方向に角度θだけ傾くと仮定する。したがって、パルス光の照射直後においては、有効内部磁場を示す関係式は、前記した式（２）から式（３）へと書き換えられる。また、このとき、スピンには、磁化Ｍと異方性磁場Ｈaniを含む平面に対して垂直な方向に、式（４）で表されるトルクＦがかかる。なお、式（４）において、記号「×」は外積を表し、γは磁気回転比を表す。
【００４８】
【数２】
【００４９】
したがって、式（４）で表されるトルクＦにより磁化Ｍは歳差運動を始めることになる。パルス光の照射後において、磁化Ｍの歳差運動は、図２（ｃ）に示すように、有効内部磁場Ｈeffを中心軸とする円運動を示す。磁化Ｍの歳差運動の時間変化は、ＬＬＧ方程式と呼ばれる式（５）を用いてよく再現できる（非特許文献１参照）。
【００５０】
【数３】
【００５１】
パルス光照射により誘起された磁化Ｍの歳差運動は、時間の経過にしたがって小さくなる。これをダンピングといい、その挙動は、式（５）に示すダンピングファクタα（Gilbert減衰定数）を用いて表現される。仮にダンピングファクタαを０とすると、磁化Ｍの歳差運動の周期ＴMは、式（６）を用いて求められる。式（６）において、νMは歳差運動の振動数（１／ＴM）、ｈはプランク定数、μBはボーア磁子、ｇはｇ因子をそれぞれ示している。
【００５２】
【数４】
【００５３】
磁化Ｍの歳差運動の周期ＴM（＝１／νM）は、式（６）に示す定数部分を無視すると、ｇ因子と有効内部磁場Ｈeffの値に依存していることが分かる。また、周期ＴMは、試料Ｆの種類や実験条件などに強く依存し、おおよそピコ秒からサブナノ秒であることが、これまでの実験を通して確かめられている（非特許文献１参照）。
【００５４】
ここで、この理論モデルの概要の説明において、簡便のため、次の２つの条件を導入する。
条件１：前記した式（２）に示した角度θ、すなわち、有効内部磁場Ｈeffがｚ軸方向に傾く角度θは、考慮している時間（例えば、ピコ秒からサブナノ秒）では緩和しないものとする。つまり、角度θは、時間に依存せず一定であって、時間ｔの関数ではないものとする。言い換えると、光照射による有効内部磁場Ｈeffの向きの変化の緩和時間τが無限大（τ＝∞）であるものとする。
条件２：ダンピングファクタαの値を０とする。
【００５５】
磁化Ｍの歳差運動の緩和時間τが、磁性体に照射されるパルス光の繰返し周期ｔrepよりも短いとき、磁化Ｍの歳差運動の干渉が起こる。このときの磁化Ｍの挙動は、連続するパルス光照射によって誘起される異方性磁場の変化（複数のパルス光による変化）が、個々のパルス光照射により誘起される異方性磁場の変化（１つのパルス光による変化）の線形和だとすることで計算することができる。このことは、非特許文献２から導かれる。
【００５６】
＜２．２ 磁化の歳差運動の干渉＞
ここで、磁化Ｍの歳差運動の干渉を説明するために、計算機シミュレーションにより２本の連続したパルス光を磁性体に照射することを想定する。また、この計算では、レーザの繰返し周波数νL（＝１／ｔrep）が５［ＧＨｚ］であるものと仮定する。つまり、レーザの繰返し周期ｔrepは、２００［ｐｓ］である。
【００５７】
また、磁性体の磁化Ｍの歳差運動の周期ＴM（＝１／νM）と、レーザの繰り返し周期ｔrep（＝１／νL）とが同期するときに磁性体に生じている有効内部磁場Ｈeffのことを、「共鳴が起こる磁場Ｈres」と表記し、式（７）で表すこととする。また、これを第１共鳴条件と呼ぶことにする。このとき、共鳴が起こる磁場Ｈresは、式（８）のように表される。
【００５８】
【数５】
【００５９】
式（８）において、繰返し周波数νLの値を５［ＧＨｚ］、ｇ因子の値を「２」としたときに、共鳴が起こる磁場Ｈresの値は、１７８．５［ｍＴ］と見積もられる。
【００６０】
式（８）は、前記した式（６）に類似しているが、例えば５［ＧＨｚ］のように固定されたレーザの繰り返し周波数νL（＝１／ｔrep）と、それに伴ってある所定値に固定された有効内部磁場Ｈeff（共鳴が起こる磁場Ｈres）との関係式である。
【００６１】
一方、前記した式（６）は、磁化Ｍの歳差運動の周期ＴM（＝１／νM）と、有効内部磁場Ｈeffとの関係式であり、いずれも変動する。そのため、磁化Ｍの挙動は、この変更可能なパラメータとしての有効内部磁場Ｈeffを変化させることで制御可能である。
【００６２】
ここで、磁化Ｍの歳差運動と、パルスの繰り返し周期ｔrepとの同期について図３を参照して説明する。図３は、磁化の歳差運動と、パルスの繰り返し周期との同期を概念的に示すタイミングチャートである。図３（ａ）では、簡便のため、１本のパルス光が照射されたときの磁化の歳差運動のｙ成分を正弦波形で示した。この例では、磁化の歳差運動の周期ＴMの最初の値を４００［ｐｓ］とした。また、レーザの繰返し周期ｔrepの値は、図３（ｃ）に示すように２００［ｐｓ］とした。例えば、１回目（ｎ＝１）のパルス（パルスレーザ）が時刻０［ｐｓ］で出力され、２回目（ｎ＝２）のパルスが時刻２００［ｐｓ］で出力され、３回目（ｎ＝３）のパルスが時刻４００［ｐｓ］で出力される。なお、パルス波形の時間幅はフェムト秒程度である。
【００６３】
図３（ａ）に示すように、歳差運動の周期ＴMの最初の値（４００［ｐｓ］）と、繰り返し周期ｔrepの値（２００［ｐｓ］）とが異なる場合には、磁化の歳差運動はパルスの繰り返し周期ｔrepに同期していないので、複数本のパルス光が照射されたとしても、磁化Ｍの歳差運動と、パルスレーザとの共鳴は起こらない（非共鳴）。
【００６４】
次に、レーザの繰返し周期ｔrepの値を２００［ｐｓ］に固定した状態で、所定値の外部磁場を印加することで、図３（ｂ）に示すように、磁化Ｍの歳差運動の周期ＴMの値を２００［ｐｓ］に変化させた。図３（ｂ）に示す例の場合には、歳差運動の周期ＴMの値（２００［ｐｓ］）と、繰り返し周期ｔrepの値（２００［ｐｓ］）とは同じであり、磁化の歳差運動はパルスの繰り返し周期ｔrepに同期する。このとき、例えば、２回目（ｎ＝２）のパルスが照射されると、１回目に生じた歳差運動と、２回目に生じた歳差運動とが干渉する。そして、共鳴が起こり、１回目（ｎ＝１）のパルスが照射された場合と比較して、磁化Ｍの歳差運動の振幅がおよそ２倍となる。同様に、共鳴により、３回目（ｎ＝３）のパルスが照射されると、初めの振幅のおよそ３倍となる。
【００６５】
図３に示した波形は、磁化Ｍの歳差運動と、パルスの繰り返し周期ｔrepとの同期について概念的に説明するための一例であって、実際の波形とは異なっている。しかしながら、計算機シミュレーションで実際に確かめた結果、次のことが結論付けられた。
【００６６】
第１共鳴条件においては、磁化Ｍの歳差運動に、次のような特徴がある。すなわち、磁性体の有効内部磁場Ｈeffの値が、その磁性体においてパルス光との共鳴が起こる磁場Ｈresの値と等しいという条件を満たす場合においては、磁化Ｍの歳差運動の振幅は、ポンプ光として照射されたパルス光の個数におおよそ比例して増大する。
一方、第１共鳴条件を満たさない場合（非共鳴条件の場合）、複数のパルス光照射により誘起される磁化Ｍの歳差運動は、各々が打ち消しあって歳差運動の振幅が小さくなる。
そこで、本実施形態では、連続したパルス光で励起した磁化Ｍの挙動を、パルス光の反射光が示すＭＯ信号を観測して評価することとした。
【００６７】
＜２．３ ＭＯ信号＞
この節では、２．３．１有効内部磁場とＭＯ信号との関係、２．３．２外部磁場とＭＯ信号との関係、２．３．３ダンピングファクタとＭＯ信号との関係、２．３．４第１共鳴条件とＭＯ信号との関係、２．３．５ビームの遅延時間とＭＯ信号との関係、２．３．６観測されるＭＯ信号の定義の各テーマについて順次説明することとする。
【００６８】
また、この節では、本実施形態で観測されるＭＯ信号の定義を２段階に分けて説明する。２．３．１〜２．３．５のテーマでは、第１段階として、パルスの繰り返し周期ｔrepを考慮してＭＯ信号を定義し、２．３．６のテーマでは、第２段階として、ビームスプリッタ７で分離したビーム１およびビーム２の遅延時間ｔintをも考慮してＭＯ信号を定義する。そして、以下では、第１段階で定義されるＭＯ信号（仮ＭＯ信号）により、本実施形態の理論モデルの概要を説明し、この仮ＭＯ信号を前提に、本実施形態で観測されるＭＯ信号を説明する。
【００６９】
≪２．３．１≫有効内部磁場とＭＯ信号との関係
まず、第１段階のＭＯ信号Θを、一例として式（９ａ）で定義する。
【００７０】
【数６】
【００７１】
ここで、ｎは、レーザ光源２から出力される何番目のパルスであるかを示す整数である（ｎ＝０，１，２，…）。
【００７２】
式（９ｂ）に示すΘxδＭxnとΘyδＭynとは、ともに、ＭＬＤ（magnetic linear dichroism：磁気線二色性）と縦カー効果とを介して観測される面内磁化成分の変化を表している。また、式（９ｂ）に示すΘzδＭznは、極カー効果を介して観測される面直磁化成分の変化を表している。また、Θx、Θy、Θzは、試料Ｆの種類や温度などの実験条件に依存し、観測されるＭＯ信号Θの偏光依存性や波長依存性などから評価する重みを表している。また、δＭxn、δＭyn、δＭznは、直接観測するものではなく、式（９ｃ）〜式（９ｅ）により計算で求めるものである。
【００７３】
式（９ｃ）〜式（９ｅ）の右辺において、ｔrepは、パルスの繰り返し周期（１／νL）を示し、Ｍxn（ｎｔrep）、Ｍyn（ｎｔrep）、Ｍzn（ｎｔrep）は、ｎ番目のパルスを受けた時刻での磁化Ｍのｘ成分、ｙ成分、ｚ成分の大きさを示し、Ｍsは飽和磁化を示す。
【００７４】
また、式（９ｃ）〜式（９ｅ）の左辺にそれぞれ示すδＭxn、δＭyn、δＭznは、ｎ番目のパルスによる磁化Ｍのｘ成分、ｙ成分、ｚ成分の変化を表している。ここで、非特許文献２の手法にならって、連続するパルス光照射によって誘起される異方性磁場の変化が、個々のパルス光照射により誘起される異方性磁場の変化の線形和であるものとして、式（１０ａ）〜式（１０ｃ）にそれぞれ示すように、ｎ本の連続して出力されるパルスによって誘起される異方性磁場の変化δＭx、δＭy、δＭzを、ＭＯ信号の各成分に相当する量として計算する。
【００７５】
【数７】
【００７６】
一例として、連続して出力されるパルス本数ｎを「５０」として計算したδＭx、δＭy、δＭzの磁場依存性を図４に示す。図４のグラフにおいて、横軸は、有効内部磁場Ｈeffを示し、縦軸は、δＭx、δＭy、δＭzのそれぞれの大きさを任意単位（a.u.：arbitrary unit）で重ねて示している。ここでは、繰返し周波数νLの値を５［ＧＨｚ］として、前記の２つの条件（ダンピングファクタα＝０、緩和時間τ＝∞）を課して計算した。
【００７７】
なお、δＭxは、δＭyやδＭzに比べて３桁ほど小さい。また、計算負荷を低減するためにｎ＝５０としたが、パルス本数ｎの個数は、５０に限定されるものではない。さらに、パルス光を照射し続けると磁化の傾く角度θの大きさは増え続けるが、充分な時間が経過すると緩和するためにある擬平衡状態となる。この擬平衡状態も計算により求めることができる。
【００７８】
図４のグラフから、有効内部磁場Ｈeffの値がおよそ１７８．５［ｍＴ］である場合に、δＭx、δＭy、δＭzの値がそれぞれ「０」となっていることが分かる。これは、第１共鳴条件が満たされる条件下では、磁化Ｍは、図２（ａ）に示すような平衡状態の向きとほぼ同じ向きになるためである。また、このときの有効内部磁場Ｈeffの値は、前記した式（８）において、ｇ因子の値を「２」として見積もられた、共鳴が起こる磁場Ｈresの値と同様なものである。一方、第１共鳴条件が満たされないときの有効内部磁場Ｈeffの範囲では、図４に示すように、δＭx、δＭy、δＭzの値が有効内部磁場Ｈeffにほとんど依存せずに一定値を取っている。つまり、δＭx、δＭy、δＭz（ＭＯ信号の各成分に相当する量）の値は、第１共鳴条件を満たす磁場近辺で顕著な変化を示すと結論付けられる。
【００７９】
≪２．３．２≫外部磁場とＭＯ信号との関係
外部磁場Ｈext中にある強磁性体の有効内部磁場Ｈeffは、式（１１）で記述される。この式（１１）において、Ｈdemは反磁場を示す。ここでは、ＨaniがＨdemに比べて十分大きいものと仮定しＨdem＝０とした式（１２）を用いることとする。このとき、異方性磁場Ｈaniは、式（１３）より求められる。
【００８０】
【数８】
【００８１】
共鳴が起こる磁場Ｈresは、前記した式（８）の関係式から、レーザの繰返し周期ｔrep（＝１／νL）によって決まる。そのため、有効内部磁場Ｈeffの値が、共鳴が起こる磁場Ｈresの値と等しいとき、すなわち、第１共鳴条件を満たすときに、外部磁場Ｈextを決定できれば、異方性磁場Ｈaniが決定できることを式（１２）および式（１３）は示唆している。なお、本実施形態では、外部磁場Ｈextの方向と、異方性磁場Ｈaniの方向とを平行であるものとして取り扱うことで、式（１３）においてベクトルである磁場をスカラーとして取り扱うこととする。
【００８２】
第１共鳴条件を満たす外部磁場Ｈextを決定することは、ＭＯ信号を外部磁場Ｈextに対して系統的に観測することで実現できる。つまり、試料Ｆに所定値の外部磁場Ｈextを印加した状態で、連続パルスを照射したときに、偏光検出器５でＭＯ信号を検出し、制御装置６で解析した結果、第１共鳴条件を満たさなければ、外部磁場Ｈextの値を変更して同様な操作を繰り返せばよい。
【００８３】
例えば、試料Ｆに外部磁場を印加していない場合に磁化Ｍの歳差運動の振動数をνM1とすると、前記した式（６）は式（１４）のように書き換えられる。また、外部磁場Ｈext中でパルス光に共鳴するときの磁化Ｍの歳差運動の振動数をνM2とすると、前記した式（６）は式（１５）のように書き換えられる。
【００８４】
【数９】
【００８５】
≪２．３．３≫ダンピングファクタとＭＯ信号との関係
この節の説明において、前記の２つの条件（ダンピングファクタα＝０、緩和時間τ＝∞）は、簡便のために導入した。ただし、実際には、例えば、強磁性金属の緩和時間τは数マイクロ秒から数ミリ秒であり、強磁性半導体の緩和時間τはサブナノ秒であることが知られている。また、実際のダンピングファクタαは、強磁性金属でも強磁性半導体でも、0.1〜0.001のオーダーにあることが知られている。強磁性体の磁気特性において、異方性磁場Ｈaniに加えて、ダンピングファクタαの決定も重要な課題である。
【００８６】
一例として、連続して出力されるパルス本数ｎを「５０」として計算したδＭx、δＭy、δＭzの磁場依存性およびα依存性を図５（ａ）〜図５（ｃ）に示す。図５（ａ）〜図５（ｃ）のグラフにおいて、横軸は、有効内部磁場Ｈeffを示し、縦軸は、δＭx、δＭy、δＭzのそれぞれの大きさを任意単位で示している。ここでは、繰返し周波数νLの値を５［ＧＨｚ］として、前記の２つの条件のうち緩和時間τ＝∞だけを課して、ダンピングファクタαの値を０，0.001，0.01，0.1，1としたときのそれぞれのケースについて計算した。
【００８７】
図５（ａ）〜図５（ｃ）に示すように、δＭx、δＭy、δＭzの磁場依存性を示すグラフは、それぞれ特徴的な形状をしていることが分かる。具体的には、ダンピングファクタαの値が０である場合には、図４に示したグラフと同じ形状となる。つまり、有効内部磁場Ｈeffの値が第１共鳴条件（およそ１７８．５［ｍＴ］）の前後の非共鳴条件の範囲では、グラフはほぼ平坦に形成されているが、第１共鳴条件の範囲では、グラフに凸形状または凹形状の突出部が形成されている。この突出部はグラフにおいて所定磁場範囲を示す線幅を有している。まず、ダンピングファクタαの値を、０から0.001に増加しても、δＭx、δＭy、δＭz（ＭＯ信号の各成分に相当する量）に大きな変化は見られない。つまり、グラフにおいて、αの値が０であるときの線幅と、αの値が0.001であるときの線幅とはほとんど同じであるが、これは、計算の精度不足に起因する。
【００８８】
一方、一般的な強磁性体が示すダンピングファクタαの値の範囲（0.1〜0.001のオーダー）では、ダンピングファクタαの値を増加すると、線幅が広くなる傾向にある。つまり、グラフの形状において、特に、線幅はダンピングファクタαの値に強く依存すると結論付けられる。このことは、試料Ｆを用いたときに観測されるＭＯ信号Θ（δＭx、δＭy、δＭzに相当する量）の磁場依存性を解析することで、試料Ｆのダンピングファクタαの値が決定できることを示唆する。
【００８９】
≪２．３．４≫第１共鳴条件とＭＯ信号との関係
次に、第１共鳴条件を詳細に検討する。常磁性体のＲＳＡは、パルス光の繰り返し周期が、キャリアスピンの歳差運動の周期の整数倍になるときに、キャリアスピンの歳差運動の振幅が共鳴的に増幅する現象である。強磁性体においても、これと同じことが生じると仮定する。つまり、周波数領域に換算すると、この理論モデルにおいて、レーザの繰り返し周波数νLが磁化Ｍの歳差運動の振動数νMの例えば２倍になるときに、共鳴により磁化Ｍの歳差運動の振幅が０．５倍になると仮定する。この場合、前記した式（１５）および式（８）は、式（１６）および式（１７）に書き換えられる。
【００９０】
【数１０】
【００９１】
このときに、磁化Ｍの歳差運動に生じる現象を概念的に示すグラフを図６（ａ）に示す。図６（ａ）に破線で示す波形は、図３（ｂ）に実線で示した波形を拡大して表示したものである。つまり、図６（ａ）に破線で示す波形は、磁化Ｍの歳差運動の周期ＴMの値が、レーザの繰返し周期ｔrepの値と同様に２００［ｐｓ］であることを示している。周波数領域に言い換えると、磁化Ｍの歳差運動の振動数νMの値と、レーザの繰返し周波数νLの値とが共に５［ＧＨｚ］であることを示している。ここで、前記の仮定により、レーザの繰り返し周波数νLが仮に１０［ＧＨｚ］に倍増して、それに同期して磁化Ｍの歳差運動の振動数νMも２倍になったときに共鳴により磁化Ｍの歳差運動の振幅が０．５倍になる。このときの波形を図６（ａ）に実線で示す。
【００９２】
これと同じ現象を、逆に、図６（ａ）に実線で示す波形から、図６（ａ）に破線で示す波形へと移り変わるものとして説明すると、以下の通りとなる。すなわち、１回目の実験において、磁化Ｍの歳差運動の周期ＴMの値が、レーザの繰返し周期ｔrepの値と同様に１００［ｐｓ］であるときに、共鳴が生じる場合に、図６（ａ）に実線で示す波形が得られる。続けて、２回目の実験でレーザの繰り返し周期ｔrepの値を２倍にして２００［ｐｓ］とすると、磁化Ｍの歳差運動が同期してその周期ＴMの値が２００［ｐｓ］となって共鳴し、図６（ａ）に破線で示す波形が得られる。
【００９３】
前記したように、第１共鳴条件を満たすときに、外部磁場Ｈextを決定できれば、異方性磁場Ｈaniが決定できることを、前記した式（１２）および式（１３）は示唆している。ただし、ＲＳＡの仮定により、１回目の実験および２回目の実験で説明したように、磁化Ｍの歳差運動の周期ＴMの値が１００［ｐｓ］のときに共鳴が起こったと判定したときに決定した外部磁場Ｈextの値と、２００［ｐｓ］のときに共鳴が起こったと判定したときに決定した外部磁場Ｈextの値とは異なってしまう。このことは、第１共鳴条件が次のように書き換えられることを意味する。ここで、Ｎ1は自然数である。
【００９４】
【数１１】
【００９５】
式（１８）で示す第１共鳴条件は、異方性磁場Ｈaniが一意に決定できない可能性を示唆する。このことは、例えば、異方性磁場Ｈaniの値が既知であって、その値を精度よく求める場合には不都合は生じないが、異方性磁場Ｈaniの値が未知である試料を測定対象とした場合には不都合である。
【００９６】
≪２．３．５≫ビームの遅延時間とＭＯ信号との関係
そこで、このような不測な場合も想定し、式（１８）で示す第１共鳴条件で決定したいずれか１つの外部磁場Ｈextの値を取得できることを前提にして、既に説明した仮ＭＯ信号を発展的に解消して、本実施形態で観測されるＭＯ信号の定義の第２段階を説明する。第２段階では、パルスの繰り返し周期ｔrepと、ビームスプリッタ７で分離したビーム１およびビーム２の遅延時間ｔintとを考慮してＭＯ信号を定義する。
【００９７】
本実施形態の磁気特性測定装置１の制御装置６（図１参照）は、この予め取得した外部磁場Ｈextの値に設定した磁場を試料Ｆに印加し、かつ、分離した各パルスビームを試料Ｆに重ねて照射したときに、それぞれのパルス光照射により、試料Ｆの磁化Ｍの歳差運動が共鳴するときの移動ステージ１１の位置を第２共鳴条件として取得することとした。
そして、制御装置６は、外部磁場Ｈextの値と、第２共鳴条件において検出したＭＯ信号および移動ステージ１１の位置との各情報を用いてＬＬＧ方程式に基づいて、試料Ｆの異方性磁場Ｈaniの値を算出することとした。
【００９８】
移動ステージ１１の位置は、ビーム１およびビーム２の遅延時間ｔintに対応している。これら２本のパルス光の遅延時間tintが歳差運動の緩和時間τよりも短いとき、磁化歳差運動の共鳴が起こる。また、レーザ光源２から１回目（ｎ＝１）のパルス（パルスレーザ）が出力されて分離したビーム２と、２回目（ｎ＝２）のパルスが出力されて分離したビーム１とが重なる場合が、遅延時間ｔintの理論的な最大値を与える。つまり、遅延時間ｔintの最大値は、パルスの繰り返し周期ｔrepの値である。
【００９９】
そこで、本実施形態では、移動ステージ１１の位置を、次の式（１９）により、遅延時間ｔintおよびレーザ繰り返し周期ｔrepに関連付けることとした。ここで、Ｎ2は自然数である。移動ステージ１１の所定の位置において、この式（１９）を満たすとき、第２共鳴条件を満たすものとする。
【０１００】
【数１２】
【０１０１】
ここで、式（１８）に示した第１共鳴条件（自然数Ｎ1＝Ｈeff／Ｈres）が成立していることが前提である。また、自然数Ｎ2が自然数Ｎ1と等しくなるときに、ビーム１とビーム２のそれぞれが誘起した歳差運動の共鳴条件が現れる。つまり、遅延時間tintを制御変数としてＭＯ信号Θを系統的に観測することで、自然数Ｎ2（＝Ｎ1）が決定できる。そして、レーザ繰り返し周期ｔrepから、共鳴が起こる磁場Ｈresが求められる。その結果、式（１８）にしたがって、有効内部磁場Ｈeffの値が決定できる。ゆえに、前記した式（１２）および式（１３）の関係から、最終的に異方性磁場Ｈaniの値を一意に決定できることとなる。
【０１０２】
具体例として、Ｎ2＝１の場合のレーザパルスを図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）において、ｎはレーザ光源２から出力されるｎ番目のパルス光であることを示す。また、ｎ番目のパルス光において分離したビームをｍの値で区別した。ｍ＝１はビーム１を示し、ｍ＝２はビーム２を示す。一例として、レーザ繰り返し周期ｔrepを２００［ｐｓ］とした。ここでは、１番目のパルス光において分離したビーム１が時刻０［ｐｓ］で照射され、１番目のパルス光において分離したビーム２が時刻２００［ｐｓ］で照射されている。また、２番目のパルス光において分離したビーム１も時刻２００［ｐｓ］で照射されているため、時刻２００［ｐｓ］ではパルス光が重なっている。なお、図６（ｂ）に示すレーザパルスは、図６（ａ）に破線で示す歳差運動の振幅波形に対応している。
【０１０３】
同様に、Ｎ2＝２の場合のレーザパルスを図６（ｃ）に示す。ここでは、１番目のパルス光において分離したビーム１が時刻０［ｐｓ］で照射され、１番目のパルス光において分離したビーム２が時刻１００［ｐｓ］で照射されている。このレーザパルスは、図６（ａ）に実線で示す歳差運動の振幅波形に対応している。
【０１０４】
さらに、Ｎ2＝４の場合のレーザパルスを図６（ｄ）に示す。ここでは、１番目のパルス光において分離したビーム１が時刻０［ｐｓ］で照射され、１番目のパルス光において分離したビーム２が時刻５０［ｐｓ］で照射されている。なお、対応する波形の図示は省略した。
【０１０５】
≪２．３．６≫観測されるＭＯ信号の定義
第２段階のＭＯ信号の一例として３次元ベクトルΘを式（２０ａ）で定義する。
【０１０６】
【数１３】
【０１０７】
ここで、式（２０ａ）〜式（２０ｅ）は、遅延時間tintを考慮した点を除くと、式（９ａ）〜式（９ｅ）と同様なものである。すなわち、式（２０ｃ）〜式（２０ｅ）の右辺において、Ｍxn（ｎｔrep）、Ｍyn（ｎｔrep）、Ｍzn（ｎｔrep）は、ｎ番目のパルスのビーム１を受けた時刻での磁化Ｍのｘ成分、ｙ成分、ｚ成分の大きさを示す。また、Ｍxn（ｎｔrep＋tint）、Ｍyn（ｎｔrep＋tint）、Ｍzn（ｎｔrep＋tint）は、ｎ番目のパルスのビーム２を受けた時刻での磁化Ｍのｘ成分、ｙ成分、ｚ成分の大きさを示す。
【０１０８】
また、式（１０ａ）〜式（１０ｃ）と同様に、非特許文献１の手法にならって、式（２１ａ）〜式（２１ｃ）にそれぞれ示すように、ｎ本の連続して出力されるパルスによって誘起される異方性磁場の変化δＭx、δＭy、δＭzを、ＭＯ信号の各成分に相当する量として計算することとする。
【０１０９】
【数１４】
【０１１０】
ここで、これら式（２１ａ）〜式（２１ｃ）で示される異方性磁場の変化δＭx、δＭy、δＭzは、直接観測するものではないが、観測されるＭＯ信号Θに相当するものである。これらδＭx、δＭy、δＭzを用いた計算機シミュレーションによる具体例については、後記する。
【０１１１】
［磁気特性測定方法の全体の流れ］
次に、磁気特性測定方法の全体の流れについて図７を参照（適宜図１参照）して説明する。磁気特性測定装置１は、制御装置６によって、第１共鳴条件（Ｎ1＝Ｈeff／Ｈres）において試料Ｆに印加されていた外部磁場Ｈextの情報を予め取得しておく（ステップＳ１）。
【０１１２】
制御装置６は、試料Ｆの磁化Ｍの歳差運動が、連続した複数パルスに共鳴するときの移動ステージ１１の位置を第２共鳴条件として探索する第２共鳴条件探索段階（ステップＳ２〜Ｓ８）と、第２共鳴条件が探索されたときに、試料Ｆの異方性磁場Ｈaniを求める磁場算出段階（ステップＳ９）とを実行する。
【０１１３】
第２共鳴条件探索段階では、パルスレーザ光をビームスプリッタ７でビーム１とビーム２とに分離する。そして、ビーム１のパスに挿入した移動ステージ１１を用いてビーム１とビーム２との遅延時間tintを制御し、ビーム１とビーム２とを試料Ｆに重ねて照射する。
【０１１４】
この第２共鳴条件探索段階は、所定条件が成立するまで繰り返す一連の処理として、外部磁場印加手段４による処理（ステップＳ２）と、レーザ光源２による処理（ステップＳ３）と、偏光検出器５による処理（ステップＳ４）と、制御装置６による処理（ステップＳ５，Ｓ６）とを協働して実行する。すなわち、ステップＳ２にて、外部磁場印加手段４は、予め取得した外部磁場Ｈextを試料Ｆに印加する。ステップＳ３にて、レーザ光源２は、連続した複数パルスのレーザ光をポンプ光として出力する。ステップＳ４にて、偏光検出器５は、ビーム１およびビーム２を試料Ｆが反射した反射光のうち、ビーム２が示す磁気光学効果（偏光成分）を検出する。
【０１１５】
また、ステップＳ５にて、制御装置６は、偏光検出器５で検出した偏光成分を、ＭＯ信号Θとして取得する。そして、ステップＳ６にて、制御装置６は、現在の移動ステージ１１の位置で試料のＭＯ信号Θの絶対値が最小となったか否かを判定することで所定条件が成立したか否かを判定する処理を実行する。ＭＯ信号Θの絶対値が最小となっていない場合に（ステップＳ６：Ｎｏ）、制御装置６は、移動ステージ１１を移動させる処理（ステップＳ７）を実行する。一方、ＭＯ信号Θの絶対値が最小となった場合に（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、制御装置６は、移動ステージ１１の位置を第２共鳴条件（Ｎ2＝ｔrep／ｔint）として求める処理（ステップＳ８）を実行する。
【０１１６】
磁場算出段階（ステップＳ９）は、制御装置６によって、第２共鳴条件が求められたときに、この第２共鳴条件において検出したＭＯ信号Θおよび移動ステージ１１の位置と、取得した外部磁場の大きさＨextと、繰り返し周期ｔrepとの各情報を用いて、ＬＬＧ方程式に基づいて、試料Ｆの異方性磁場Ｈaniを求める。
【０１１７】
［磁気特性測定装置の制御装置の構成例］
次に、磁気特性測定装置１の制御装置６の構成例について図８を参照して説明する。
ここでは、制御装置６は、第１共鳴条件取得部２１と、外部磁場制御部２２と、レーザ光源制御部２３と、移動ステージ制御部２４と、ＭＯ信号取得部２５と、ＭＯ信号蓄積部２６と、第２共鳴条件取得部２７と、異方性磁場算出部２８と、フィッティングデータ記憶部２９と、減衰パラメータ算出部３０とを備えることとした。
【０１１８】
第１共鳴条件取得部２１は、試料Ｆの磁化Ｍの歳差運動を、パルスの繰り返し周期ｔrep（＝１／νL）に同期させるために試料Ｆに印加する外部磁場Ｈextの値を第１共鳴条件として取得するものである。第１共鳴条件取得部２１は、取得した外部磁場Ｈextの値を外部磁場制御部２２と異方性磁場算出部２８とに出力する。
【０１１９】
外部磁場制御部２２は、外部磁場印加手段４を制御して、磁場のオン／オフを切り替えたり、第１共鳴条件取得部２１から取得した外部磁場Ｈextの値の磁場を試料Ｆに印加させたりするものである。
レーザ光源制御部２３は、レーザ光源２を制御して、パルスレーザのオン／オフを切り替えるものである。
【０１２０】
移動ステージ制御部２４は、移動ステージ１１を制御して、予め第２共鳴条件の自然数に対応付けている目盛り位置に、移動ステージ１１を順次移動するものである。
ＭＯ信号取得部２５は、偏光検出器５からＭＯ信号Θを取得し、ＭＯ信号蓄積部２６に格納する。ＭＯ信号蓄積部２６は、例えば一般的なメモリやハードディスク等から構成される。なお、ＭＯ信号蓄積部２６は、第１共鳴条件取得部２１で取得した外部磁場Ｈextの値も記憶する。
【０１２１】
第２共鳴条件取得部２７は、レーザ光源制御部２３および移動ステージ制御部２４を統括すると共に、ＭＯ信号蓄積部２６に蓄積されているＭＯ信号Θのデータを参照して、各データを比較することにより、現在の移動ステージ１１の位置で試料のＭＯ信号Θの絶対値が最小となったか否かを判定するものである。この第２共鳴条件取得部２７は、判定の結果、ＭＯ信号Θの絶対値が最小となったと判定したときに、現在の移動ステージ１１の位置に対応する自然数Ｎ2を異方性磁場算出部２８に出力する。また、第２共鳴条件取得部２７は、判定の結果、ＭＯ信号Θの絶対値が最小ではないと判定したときに、レーザ光源制御部２３および移動ステージ制御部２４と協働して、前記したステップＳ９の第２共鳴条件探索段階を続行する。
【０１２２】
異方性磁場算出部２８は、レーザ繰り返し周期ｔrep（＝１／νL）の値に基づいて、前記した式（９）により、共鳴が起こる磁場Ｈresを算出する。
異方性磁場算出部２８は、算出した共鳴が起こる磁場Ｈresと、第２共鳴条件取得部２７から第２共鳴条件として取得した移動ステージ１１の位置に対応する自然数Ｎ2（＝Ｎ1）とを用いて、前記した式（１８）により、有効内部磁場Ｈeffの値を決定する。
異方性磁場算出部２８は、決定した有効内部磁場Ｈeffの値と、第１共鳴条件取得部２１から取得した外部磁場Ｈextの情報とを用いて、前記した式（１３）により、試料Ｆの異方性磁場Ｈaniを算出する。
異方性磁場算出部２８は、算出した異方性磁場Ｈaniを図示しないディスプレイに表示すると共に、決定した有効内部磁場Ｈeffの値を減衰パラメータ算出部３０に出力する。
【０１２３】
フィッティングデータ記憶部２９は、ＬＬＧ方程式による理論計算から予め求められた、ＭＯ信号の磁場依存性およびα依存性のデータ（以下、フィッティングデータという）を記憶するものであって、例えば一般的なメモリやハードディスク等から構成される。なお、有効内部磁場Ｈeffに対してＭＯ信号Θの絶対値が最小となるときの磁場の範囲に対して最適なダンピングファクタαの値を算出することが可能であれば、フィッティングデータは、予め変換テーブルとして備えるものでもよいし、演算に用いる所定の関数等の情報でもよい。
【０１２４】
減衰パラメータ算出部３０は、異方性磁場算出部２８から有効内部磁場Ｈeffの値を取得し、ＭＯ信号蓄積部２６に蓄積されているＭＯ信号Θのデータを参照して、フィッティングデータ記憶部２９に記憶されたフィッティングデータとフィッティングすることで、試料の磁気特性として、試料固有のダンピングファクタαの値を算出するものである。
【０１２５】
［計算機シミュレーションによる具体例］
前記した式（２１ａ）〜式（２１ｃ）で示される異方性磁場の変化δＭx、δＭy、δＭz（観測されるＭＯ信号Θに相当）を、式（１９）に示す第２共鳴条件において、Ｎ2が１，２，３，４，５の場合を条件として計算機シミュレーションにより求めた結果を、図９〜図１３にそれぞれ示す。図９〜図１３のグラフにおいて、横軸は、「ｔrep／ｔint」、つまり、第２共鳴条件の自然数Ｎ2を示している。また、縦軸は、δＭx、δＭy、δＭzのそれぞれの大きさを任意単位で重ねて示している。ただし、前記した式（２０ｃ）および式（２１ａ）の定義から、各グラフにおいてδＭxに関しては、縦軸が負の領域を表し、縦軸の最大値が「０」である。
【０１２６】
ここでは、異方性磁場Ｈaniの値が既知である試料を想定し、その試料の磁化の歳差運動が、レーザの繰り返し周期ｔrepに同期して共鳴が起こる磁場の大きさの最低値をＨresで表記することした。つまり、共鳴が起こる磁場の大きさは、Ｈres、２Ｈres、３Ｈres、４Ｈres、５Ｈres等である。
【０１２７】
このうち、第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝１である場合に、レーザの繰り返し周期ｔrepを固定値として、ビーム１およびビーム２の遅延時間ｔintを変化させたときの異方性磁場の変化δＭx、δＭy、δＭzの一例を図９に示す。第２共鳴条件を満たすときのグラフ上の特徴は、磁化の向きが平衡状態の向きと近いため、観測されるＭＯ信号が小さくなって、理論的に値が「０」になるというものである。
【０１２８】
図９に示すように、δＭx、δＭy、δＭzは、「ｔrep／ｔint」の値、つまり、第２共鳴条件の自然数Ｎ2の値に依存する特徴的な振る舞いを示していることが分かる。具体的には、図９に示すように、ｔrep／ｔintの値が「１」である場合に、δＭx、δＭy、δＭzの値はいずれも理論的に「０」になる。なお、各グラフにおいて値が僅かに「０」からずれている原因は、計算機シミュレーションの精度に起因するものである。このことは他のグラフの結果においても同様である。
【０１２９】
一方、図９に示すように、ｔrep／ｔintの値が、２，３，４，５，６である場合に、δＭx、δＭy、δＭzの値すべてが「０」になることはない。このことから、第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝１を前提にしたときに、ｔrep／ｔintが自然数であっても、その値が２，３，４，５，６である場合には、第２共鳴条件を満たしていないことを意味する。しかしながら、前記したように、第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝１を前提にしたときに、ｔrep／ｔintの値が「１」である場合には、第２共鳴条件を満たす。したがって、図９に示すδＭx、δＭy、δＭzの結果から、第２共鳴条件の自然数は、「１」であることが分かる。
【０１３０】
次に、第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝２である場合に、同様に調べた異方性磁場の変化δＭx、δＭy、δＭzの一例を図１０に示す。図１０に示すように、ｔrep／ｔintの値が「２」である場合に、δＭx、δＭy、δＭzの値はいずれも理論的に「０」になる。したがって、図１０に示すδＭx、δＭy、δＭzの結果から、第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝２を前提にしたときには、第２共鳴条件の自然数は「２」であると結論付けられる。
【０１３１】
次に、第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝３である場合に、図１１に示すように、ｔrep／ｔintの値が「３」である場合に、δＭx、δＭy、δＭzの値はいずれも理論的に「０」になる。したがって、図１１に示す結果から、第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝３を前提にしたときには、第２共鳴条件の自然数は「３」であると結論付けられる。
【０１３２】
次に、第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝４である場合に、同様に調べた異方性磁場の変化δＭx、δＭy、δＭzの一例を図１２に示す。図１２に示すように、ｔrep／ｔintの値が「１」、「２」、「４」である場合に、δＭx、δＭy、δＭzの値はいずれも理論的に「０」になる。したがって、図１２に示すδＭx、δＭy、δＭzの結果から、第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝４を前提にしたときには、第２共鳴条件の自然数は、「１」、「２」、「４」であると結論付けられる。
【０１３３】
同様に、図１３に示すように、第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝５を前提にしたときには、第２共鳴条件の自然数は「５」であると結論付けられる。
図９〜図１３に示した計算機シミュレーションの結果を一般化すると、観測されたＭＯ信号から、trep／tintの値と、Ｈeff／Ｈresの値とが等しくなるとき、すなわち、自然数Ｎ1と自然数Ｎ2とが等しいときには、第２共鳴条件を満たす。そして、このときの自然数を、Ｈeff／Ｈresの値として決定できる。
【０１３４】
以上の計算機シミュレーションにおいて、trep／tintの値を変化させながら測定することは、移動ステージ１１を動かしながら測定することに相当する。また、trep／tintの値は、移動ステージ１１の位置から一義的に決定できる。このため、移動ステージ１１を移動させながらＭＯ信号を観測すると、第１共鳴条件であるＨeff／Ｈresを示す自然数Ｎ1の値に依存して、図９〜図１３に示すようなδＭx、δＭy、δＭzの振る舞いが観測される。
【０１３５】
したがって、第１実施形態の磁気特性測定装置１によれば、第２共鳴条件を満たすときに観測されたＭＯ信号のデータ（移動ステージ１１を移動させながら実際に観測した信号の波形）と、理論計算から導かれる結果（trep／tintの値を変化させたときの理論的な信号の波形）とを比較することで、異方性磁場Ｈaniが未知の試料であっても、Ｈeff／Ｈresの値（第１共鳴条件の自然数Ｎ1）を推定でき、その結果、異方性磁場Ｈaniの値を一意に決定することができる。また、磁気特性測定装置１によれば、ダンピンファクタαの値も決定することができる。
【０１３６】
（第２実施形態）
図１４に示すように、第２実施形態の磁気特性測定装置１Ａは、外部磁場印加手段４Ａが試料Ｆに対して面直磁場を印加できるように配設されている点を除いて、図１に示した磁気特性測定装置１と同じ構成である。これにより、有効内部磁場Ｈeffの方向が面直方向である試料Ｆも測定対象とすることができる。
なお、外部磁場印加手段が、面直磁場を印加するモードと、面内磁場を印加するモードに対応するように、両方の構成を備えるか、または、両方のモードを兼ねるように配置を切り替えることができるように構成するようにしてもよい。
【０１３７】
（第３実施形態）
図１５に示すように、第３実施形態の磁気特性測定装置１Ｂは、複数パルスのレーザ光から分離されたビーム１およびビーム２が試料Ｆを透過した透過光のうち、ビーム２を偏光検出器５で受光してその偏光成分を検出できるように配設されると共に、試料Ｆを固定する基板１２Ｂと、試料Ｆの裏面とにより凹部１４が形成されている点を除いて、図１に示した磁気特性測定装置１と同じ構成である。
【０１３８】
この場合、ＭＯ信号は、カー効果の代わりに、ファラデー効果を介して観測されるが、ＭＯ信号は、第１実施形態と同様に定義することができる。また、凹部１４のサイズや形状は任意であり、基板１２Ｂの貫通孔である必要も無い。例えば、中心からビーム透過可能な薄さの領域を残して基板材料を剥離してもよい。なお、基板１２Ｂは、薄い膜状の試料Ｆを表面および裏面から挟み込んで固定するようにしてもよい。
【０１３９】
（第４実施形態）
図１６に示すように、第４実施形態の磁気特性測定装置１Ｃは、偏光成分検出手段５Ｃを備えている点を除いて、図１に示した磁気特性測定装置１と同じ構成である。この偏光成分検出手段５Ｃは、図１に示す偏光検出器５に相当するものであって、ＰＤ５１と、光弾性変調器５２と、ロックインアンプ５３とを備えている。
【０１４０】
ＰＤ５１は、光量検出手段であって、例えば、一般的なフォトダイオードから構成される。ＰＤ５１は、ビーム１およびビーム２が試料Ｆで反射した反射光のうち、ビーム２の強度を検出する。検出した反射光の光強度信号は、ロックインアンプ５３に入力される。
【０１４１】
光弾性変調器５２は、図１６に示すように、例えば、反射板９と試料Ｆとの間に配設される。光弾性変調器５２は、反射板９で反射して入射するビーム２を所定周波数で交互に左回り円偏光と右回り円偏光に切り替えて集光レンズ１０を介して試料Ｆに向けて出力する。これにより、出力ビームは円二色性を示すビームとなる。
【０１４２】
また、光弾性変調器５２は、この変調周波数の信号を参照信号としてロックインアンプ５３に入力する。なお、この変調周波数は、例えば、５０［ｋＨｚ］とすることができる。
【０１４３】
ロックインアンプ５３は、光弾性変調器５２から入力する参照信号を用いて、ＰＤ５１が検出する光強度信号から偏光成分を測定した結果をＭＯ信号として制御装置６に出力するものである。この場合、ＭＯ信号は、カー効果の代わりに、円二色性を介して観測されるが、ＭＯ信号は、第１実施形態と同様に定義することができる。
この磁気特性測定装置１Ｃによれば、偏光成分検出手段５Ｃを安価なＰＤ５１を用いて構成することができる。
【０１４４】
以上、各実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その趣旨を変えない範囲で様々に実施することができる。例えば、第４実施形態のように偏光成分検出手段５Ｃを備えている磁気特性測定装置において、面直磁場を印加できるように構成したり、試料Ｆを透過した透過光の偏光成分を検出したりするように構成することもできる。
【０１４５】
また、各実施形態では、ビームスプリッタ７で分離したビーム２を２つの反射板８，９によって反射して試料Ｆに導くようにしたが、本発明はこれに限定されるものではない。別の形態に係る磁気特性測定装置として、例えば図１に示す反射板９だけをハーフミラーに置き換え、このハーフミラーを、ビームスプリッタ７で分離したビーム１の光路上に移動して配設し、ビーム１とビーム２とが同一の光路から試料Ｆに到達するように構成してもよい。この場合、光遮蔽板１３を除去して、ビーム１とビーム２とを共に観測することで、各実施形態と同様の結果が得られる。なお、この形態の磁気特性測定装置は、図７のフローチャートのステップＳ４にて、ビーム２の代わりに２つのビーム光の偏光成分を検出する処理を行う。また、さらに別の形態として、光遮蔽板１３を残しておき、ビーム２の方を遮り、ビーム１だけを観測するように構成してもよい。この場合にも各実施形態と同様の結果が得られる。
【符号の説明】
【０１４６】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 磁気特性測定装置
２ レーザ光源
３ 光学系
４，４Ａ 外部磁場印加手段
５ 偏光検出器（偏光成分検出手段）
５Ｃ 偏光成分検出手段
５１ ＰＤ（光量検出手段）
５２ 光弾性変調器
５３ ロックインアンプ
６ 制御装置
７ ビームスプリッタ
８ 反射板
９ 反射板
１０ 集光レンズ
１１ 移動ステージ
１２，１２Ｂ 基板
２１ 第１共鳴条件取得部
２２ 外部磁場制御部
２３ レーザ光源制御部
２４ 移動ステージ制御部
２５ ＭＯ信号取得部
２６ ＭＯ信号蓄積部
２７ 第２共鳴条件取得部
２８ 異方性磁場算出部
２９ フィッティングデータ記憶部
３０ 減衰パラメータ算出部
Ｆ 試料
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性体の磁気特性を測定する技術に関し、特に、強磁性体の異方性磁場等の磁気特性を測定する磁気特性測定装置および磁気特性測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）やスピンＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）に代表されるスピントロニクスデバイスは、スピン注入磁化反転という新技術に基づいて作製されている。スピン注入磁化反転は、デバイス中の磁化の向きを、スピンが揃った電子の流れ（電流）で制御するものである。このスピン注入磁化反転の技術分野においては、近年、理論と実験の両面から非常に多くの研究が行われており、磁化を制御するために必要な臨界電流Ｉcを低減することが強く求められている。これが実現すれば、スピントロニクスデバイスにおいて、飛躍的な性能向上が期待され、応用の幅も広がる。
【０００３】
従来の理論研究から、臨界電流Ｉcの値を小さくするためには、異方性磁場Ｈaniの値が小さい磁性体や、ダンピングファクタと呼ばれるパラメータαの値が小さい磁性体を選べばよいという指針が得られる。ここで、異方性磁場Ｈaniは、磁性イオンの交換相互作用などに起因する有効的な内部磁場であり、パラメータαは、磁化の歳差運動の緩和過程を表す現象論的なパラメータである。しかしながら、異方性磁場Ｈaniやパラメータαが物質によってどのように変化するのかについては、明らかにされてはいない。以上の理由により、様々な物質の異方性磁場Ｈaniとパラメータαとに関する研究が進められている。
【０００４】
近年、例えば、非特許文献１に示すように、超高速時間分解磁気光学分光法を用いて、異方性磁場Ｈaniやパラメータαを決定する研究成果等が報告されている。これらの研究は、以下の原理に基づくものである。強磁性体に光を照射すると、温度上昇やキャリア濃度の変化により、磁気異方性が変化し、磁化（磁化ベクトル）が歳差運動を始めるという現象が生じる。そこで、これらの研究では、フェムト秒の時間分解磁気光学測定法を駆使して、磁化の歳差運動を観測し、理論モデルを用いた計算により観測データを解析して、異方性磁場Ｈaniとパラメータαとを決定する。
【０００５】
また、常磁性体の化合物半導体に円偏光を照射すると、スピン偏極したキャリア（キャリアスピン）が生成することが知られている。そして、フォイクト配置（Voigt配置、フォークト配置ともいう）で磁場を印加すると、キャリアスピンは、印加磁場の大きさを反映した周期で歳差運動を始める。この振る舞いは、およそ８０［ＭＨｚ］のパルス繰り返し周期のモードロックパルスレーザから出力されるパルス光を使用した超高速時間分解分光法により観測することができる。なお、フォイクト配置は、光の進行方向と直交する方向に磁界が印加されるような配置である。
【０００６】
そして、常磁性体のキャリアスピンの緩和時間よりもパルス光（レーザ光）の繰り返し周期の方が短い場合、複数のパルス光励起により注入されたスピンの歳差運動が互いに干渉する。その結果、パルス光の繰り返し周期が、キャリアスピンの歳差運動の周期の整数倍になるときに、キャリアスピンの歳差運動の振幅が、共鳴的に増幅する現象が生じる(非特許文献３参照)。この現象は、Resonant Spin accumulation（ＲＳＡ）と名付けられている。
【０００７】
一方、強磁性体においてスピンの挙動は、常磁性体におけるスピンの挙動とは異なる。すなわち、強磁性体の場合には、互いに相互作用し合って一方向に配向した集団的な多数のスピンの挙動を考えなければならない。ただし、この場合にも、強磁性体に複数のパルス光を照射することで、常磁性体と同様に、スピンの歳差運動の干渉が起こることは、実験的に示され、理論的にもよく説明されている（非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Y. Hashimoto et al.,” Photoinduced Precession of Magnetization in Ferromagnetic (Ga,Mn)As ”, Phys. Rev. Lett., 100, 067202(2008)
【非特許文献２】Y. Hashimoto et al.,” Coherent manipulation of magnetization precession in ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)As with successive optical pumping”, Appl. Phys. Lett., 93, 202506(2008)
【非特許文献３】J. M. Kikkawa and D. D.Awschalom, ”Resonant Spin Amplification in n-Type GaAs”， Phys. Rev. Lett. Vol.80, No.19, 4313(1998)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、強磁性体の異方性磁場Ｈaniとパラメータαを決定するために従来から用いられている強磁性共鳴法や超高速時間分解磁気光学分光法には、以下の問題がある。
例えば、超高速時間分解磁気光学分光法は、１本のパルス光照射により誘起される磁気光学効果の変化を観測する。そのために、測定精度が充分とは言えず、また、強磁性体の試料の種類によっては評価することができない。さらに加えて、実験には大きく高価な測定装置と、熟練した実験技術とが必要不可欠である。なお、強磁性共鳴法も、実験には大きく高価な測定装置と、熟練した実験技術とが必要不可欠である。
【００１０】
そこで、本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、強磁性体の試料の異方性磁場等の磁気特性を精度よく、安価で簡便に測定することができる技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するために、請求項１に記載の磁気特性測定装置は、所定の繰り返し周波数のレーザ光を強磁性体の試料に照射することで、当該試料の有効内部磁場または、異方性磁場を含む磁気特性を測定する磁気特性測定装置であって、レーザ光源と、外部磁場印加手段と、ビームスプリッタと、第１の反射板が配設された移動可能な移動ステージと、第２の反射板と、偏光成分検出手段と、制御装置とを備えることとした。
【００１２】
かかる構成によれば、磁気特性測定装置において、レーザ光源によって、前記強磁性体の試料の磁化の歳差運動の周期に同期可能な繰り返し周期の連続した複数パルスのレーザ光を前記試料に照射し、外部磁場印加手段によって、前記試料に所定の磁場を印加する。そして、磁気特性測定装置において、ビームスプリッタによって、前記複数パルスのレーザ光を第１のビームおよび第２のビームに分離し、第１のビームを前記試料に導くと共に、第１の反射板によって、前記ビームスプリッタで分離した第２のビームを反射し、さらに第２の反射板によって、前記第２のビームを前記試料に導くように反射する。ここで、移動ステージを移動させて、分離した各ビームの光路長差を変化させることで、試料に到達する時間差を設定することができる。この時間差は、パルス周期以下であればよいので、従来の移動ステージと比較して格段に小型することができる。そして、この場合、レーザ光源が出射した１つのパルス光は、第１のビームに続いて、第１および第２の反射板を経由したことで遅延した第２のビームが遅延して試料の同じ部位に到達する。また、レーザ光源が出射した連続した複数のパルス光は同様にそれぞれ分離して連続して試料を励起するポンプ光かつプローブ光として作用する。
【００１３】
そして、磁気特性測定装置において、偏光成分検出手段によって、前記分離した各ビームが前記試料で反射した反射光、または、前記分離した各ビームが前記試料を透過した透過光を受光してその偏光成分を検出した磁気光学信号を出力する。ここで、偏光成分検出手段は、例えば、磁気光学信号を直接検出する偏光検出器で構成することができる。このように構成した場合、試料で反射した反射光が偏光検出器に入射する場合には、カー効果の原理により磁気特性としての偏光成分を検出し、試料を透過した透過光が偏光検出器に入射する場合には、ファラデー効果の原理により磁気特性としての偏光成分を検出する。
【００１４】
そして、磁気特性測定装置において、制御装置によって、前記試料の磁化の歳差運動が前記パルスの繰り返し周期に同期したことを示す第１共鳴条件において前記試料に印加されていた外部磁場の情報を予め取得し、当該外部磁場を前記試料に印加し、かつ、前記分離した各パルスビームを前記試料に照射したときに、前記試料の磁化の歳差運動が前記連続した複数パルスに共鳴するときの前記移動ステージの位置を第２共鳴条件として取得し、前記外部磁場の大きさと、前記第２共鳴条件において検出した前記磁気光学信号および前記移動ステージの位置と、前記繰り返し周期との各情報を用いて、ＬＬＧ（Landau-Lifshitz-Gilbert）方程式に基づいて、前記試料の有効内部磁場または異方性磁場を算出する。
【００１５】
また、前記目的を達成するために、請求項２に記載の磁気特性測定装置は、所定の繰り返し周波数のレーザ光を強磁性体の試料に照射することで、当該試料の有効内部磁場または、異方性磁場を含む磁気特性を測定する磁気特性測定装置であって、レーザ光源と、外部磁場印加手段と、ビームスプリッタと、反射板が配設された移動可能な移動ステージと、ハーフミラーと、偏光成分検出手段と、制御装置とを備えることとした。
【００１６】
かかる構成によれば、磁気特性測定装置において、レーザ光源によって、前記強磁性体の試料の磁化の歳差運動の周期に同期可能な繰り返し周期の連続した複数パルスのレーザ光を前記試料に照射し、外部磁場印加手段によって、前記試料に所定の磁場を印加する。そして、磁気特性測定装置において、ビームスプリッタによって、前記複数パルスのレーザ光を分離し、反射板によって、前記ビームスプリッタで分離した一方のビームを反射し、ハーフミラーによって、前記一方のビームを透過して前記試料に導くと共に、前記反射板で反射した他方のビームを前記一方のビームと同じ光路へ反射する。ここで、移動ステージを移動させて、分離した各ビームの光路長差を変化させることで、試料に到達する時間差を設定することができる。かかる磁気特性測定装置は、請求項１に記載の反射板およびハーフミラーの組を、第１および第２の反射板に置き換えたものであり、請求項１に記載の磁気特性測定装置と同様に、偏光成分検出手段により偏光成分を検出し、制御装置によって、試料の有効内部磁場または異方性磁場を算出することができる。なお、同様に、レーザ光源が出射した連続した複数のパルス光は、それぞれ分離して連続して試料を励起するポンプ光かつプローブ光として作用する。
【００１７】
また、請求項３に記載の磁気特性測定装置は、請求項１または請求項２に記載の磁気特性測定装置において、前記制御装置が、前記第２共鳴条件として、前記レーザ光のパルスの繰り返し時間の時間間隔と前記ビームスプリッタで分離した２つのビームの遅延時間との比が自然数である場合の移動ステージの位置を用いて、前記試料の有効内部磁場または異方性磁場を算出することとした。
【００１８】
かかる構成によれば、磁気特性測定装置において、制御装置は、分離した２つのビームの遅延時間が、レーザパルスの繰り返し周期を自然数で除した時間となる場合の移動ステージ位置を用いて試料の異方性磁場を算出する。したがって、試料の磁化の歳差運動がパルスの繰り返し周期に同期したことを示す第１共鳴条件において、磁化の有効的な内部磁場の大きさが、磁化がレーザパルスに共鳴するときの磁場の大きさの最低値の整数倍である場合に、この共鳴するときの磁場の最低値を求めることができる。したがって、強磁性体の試料の磁気異方性を一意に特定することができる。
【００１９】
また、請求項４に記載の磁気特性測定装置は、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の磁気特性測定装置において、前記制御装置が、ＬＬＧ方程式による理論計算から予め求められた、前記試料の有効的な内部磁場に対して試料の磁気光学信号の絶対値が最小となるときの磁場範囲を、ＬＬＧ方程式に基づく理論モデルを用いてフィッティングすることで、当該試料の磁気特性として当該試料固有のダンピングファクタの値をさらに算出することとした。
【００２０】
かかる構成によれば、磁気特性測定装置において、試料の有効内部磁場、異方性磁場Ｈaniに加えて、試料のダンピングファクタαの値も求めることが可能となる。
【００２１】
また、請求項５に記載の磁気特性測定装置は、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の磁気特性測定装置において、前記試料と前記レーザ光源との間に集光レンズをさらに備えることとしてもよい。
【００２２】
かかる構成によれば、磁気特性測定装置は、分離した２つのビームを集光レンズにより集光する。したがって、集光レンズが光励起強度を高めることで、試料の磁気特性の測定において、磁気光学信号の検出分解能を向上させ、かつ空間分解能を向上させることができる。
【００２３】
また、請求項６に記載の磁気特性測定装置は、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の磁気特性測定装置において、前記偏光成分検出手段が、前記分離した各ビームが前記試料で反射した反射光、または、前記分離した各ビームが前記試料を透過した透過光の強度を検出する光量検出手段と、前記レーザ光源から前記試料に照射されるパルス光の光路の途中に配置され、入射するパルス光を所定周波数で交互に左回り円偏光と右回り円偏光に切り替えて出力する光弾性変調器と、前記光弾性変調器でパルス光を変調する前記周波数信号を参照信号として、前記光量検出手段が検出する光強度信号から前記偏光成分を測定した結果を前記磁気光学信号として前記制御装置に出力するロックインアンプとを備えることとした。
【００２４】
かかる構成によれば、磁気特性測定装置において、偏光成分検出手段は、光量検出手段と、光弾性変調器と、ロックインアンプとを備え、時間変調された光強度から間接的に磁気光学信号を検出する。つまり、試料で反射した反射光、または、試料を透過した透過光が光量検出手段に入射したときに、ロックインアンプが円二色性の原理にしたがって、左回り円偏光と右回り円偏光の差から磁気特性としての偏光成分を検出する。
【００２５】
また、前記目的を達成するために、請求項７に記載の磁気特性測定方法は、レーザ光源と、ビームスプリッタと、第１の反射板が設置された移動ステージと、第２の反射板またはハーフミラーと、外部磁場印加手段と、偏光成分検出手段と、制御装置とを備えると共に強磁性体の試料の有効内部磁場または異方性磁場を含む磁気特性を測定する磁気特性測定装置の磁気特性測定方法であって、前記磁気特性測定装置が、前記試料の磁化の歳差運動の周期を前記パルスの繰り返し周期に同期したことを示す第１共鳴条件において前記試料に印加されていた外部磁場の情報を予め取得し、前記試料の磁化の歳差運動が前記連続した複数パルスに共鳴するときの前記移動ステージの位置を第２共鳴条件として探索する第２共鳴条件探索段階と、前記第２共鳴条件が探索されたときに、前記試料の有効内部磁場または異方性磁場を求める磁場算出段階とを実行し、前記第２共鳴条件探索段階は、所定条件が成立するまで繰り返す一連の処理として、第１ステップと、第２ステップと、第３ステップと、第４ステップと、第５ステップと、第６ステップとを含むこととした。
【００２６】
かかる手順によれば、磁気特性測定方法では、第１ステップにて、前記外部磁場印加手段によって、前記取得した外部磁場を前記試料に印加する。また、磁気特性測定方法では、第２ステップにて、前記レーザ光源によって、前記試料の磁化の歳差運動の周期に同期可能な繰り返し周期の連続した複数パルスのレーザ光を出力し、前記ビームスプリッタと前記第１の反射板と、前記第２の反射板またはハーフミラーとを介して、前記出力された各パルスビームをそれぞれ分離して一方のビームよりも他方のビームを遅延させて前記試料に照射する。また、磁気特性測定方法では、第３ステップにて、前記偏光成分検出手段によって、前記分離した各ビームが前記試料で反射した反射光、または、前記分離した各ビームが前記試料を透過した透過光を受光して偏光成分を検出した磁気光学信号を出力する。なお、磁気特性測定方法においては、試料に磁場を印加しつつレーザ光を照射した状態で試料からの光により偏光成分を検出する。そのため、第１ないし第３ステップは、外部磁場印加手段と、レーザ光源と、偏光成分検出手段とが協働して実行する。
【００２７】
そして、磁気特性測定方法では、前記制御装置によって、第４ないし第６ステップを実行する。すなわち、制御装置は、まず、第４ステップにて、前記磁気光学信号の絶対値が最小となったか否かを判定することで前記所定条件が成立したか否かを判定する。前記磁気光学信号の絶対値が最小となっていない場合に、制御装置は、第５ステップにて、前記移動ステージを移動させる。一方、前記磁気光学信号の絶対値が最小となった場合に、制御装置は、第６ステップにて、前記移動ステージの位置を前記第２共鳴条件として求める。そして、磁気特性測定方法において、前記磁場算出段階にて、前記制御装置によって、前記第２共鳴条件が求められたときに、当該第２共鳴条件において検出した前記磁気光学信号および前記移動ステージの位置と、前記取得した外部磁場の大きさと、前記繰り返し周期との各情報を用いて、ＬＬＧ方程式に基づいて、前記試料の有効内部磁場または異方性磁場を求める。
【発明の効果】
【００２８】
請求項１または請求項２に記載の発明によれば、磁気特性測定装置において、試料を複数のレーザ光で励起するので、強磁性体の試料の異方性磁場等の磁気特性を精度よく、安価で簡便に測定することができる。また、本発明によれば、移動ステージは、移動範囲が数ｃｍ程度で済むので、従来の数ｍ単位の移動範囲を有する移動ステージと比較して数十分の１程度に小型化することできる。また、強磁性体の試料の磁化の歳差運動の周期に同期可能な繰り返し周期のパルスレーザを出力するレーザ光源は、従来の８０［ＭＨｚ］程度の繰り返し周期のレーザ光源に比べて格段に小さい。したがって、磁気特性測定装置は、装置全体としても、従来と比べて１／５〜１／１０程度のサイズに小型化できる。
【００２９】
請求項３に記載の発明によれば、磁気特性測定装置は、強磁性体の試料の磁気異方性を一意に特定することができる。
請求項４に記載の発明によれば、磁気特性測定装置は、強磁性体の試料のダンピングファクタの値を算出することができる。
【００３０】
請求項５に記載の発明によれば、磁気特性測定装置は、強磁性体の試料の磁気特性の測定において空間分解能を向上させることができる。
請求項６に記載の発明によれば、磁気特性測定装置は、偏光成分検出手段を安価な光量検出手段を用いて構成することができる。
【００３１】
請求項７に記載の発明によれば、磁気特性測定方法において、強磁性体の試料の磁化の歳差運動の周期に同期可能な繰り返し周期のパルスレーザによって試料を複数のポンプ光およびプローブ光の組で励起するので、強磁性体の試料の有効内部磁場または異方性磁場等の磁気特性を精度よく、安価で簡便に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る磁気特性測定装置の構成図である。
【図２】本発明における磁化の歳差運動を示す概念図であって、（ａ）は平衡状態、（ｂ）はパルス光の照射直後、（ｃ）はパルス光の照射後に磁化が向く方向をそれぞれ示している。
【図３】本発明における磁化の歳差運動の干渉を概念的に示すタイミングチャートであって、（ａ）は非共鳴時の歳差運動、（ｂ）は共鳴時の歳差運動、（ｃ）はパルスレーザの出力タイミングをそれぞれ示している。
【図４】本発明における有効内部磁場Ｈeffを変化させたときのＭＯ信号の一例を示すグラフである。
【図５】本発明におけるダンピングファクタαを変化させたときのＭＯ信号の一例を示すグラフであって、（ａ）はδＭx、（ｂ）はδＭy、（ｃ）はδＭzをそれぞれ示している。
【図６】本発明におけるビーム遅延時間に対するパルス繰り返し周期の割合Ｎ2と分離パルスビームとの関係を概念的に示すタイミングチャートであって、（ａ）は共鳴時の歳差運動、（ｂ）はＮ2＝１の分離パルスビーム、（ｃ）はＮ2＝２の分離パルスビーム、（ｄ）はＮ2＝４の分離パルスビームの照射タイミングをそれぞれ示している。
【図７】本発明の磁気特性測定方法の流れを示すフローチャートである。
【図８】本発明の第１実施形態に係る磁気特性測定装置の制御装置の構成例を示すブロック図である。
【図９】本発明における第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝１である場合にｔrep／ｔintに対するＭＯ信号の一例を示すグラフである。
【図１０】本発明における第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝２である場合にｔrep／ｔintに対するＭＯ信号の一例を示すグラフである。
【図１１】本発明における第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝３である場合にｔrep／ｔintに対するＭＯ信号の一例を示すグラフである。
【図１２】本発明における第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝４である場合にｔrep／ｔintに対するＭＯ信号の一例を示すグラフである。
【図１３】本発明における第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝５である場合にｔrep／ｔintに対するＭＯ信号の一例を示すグラフである。
【図１４】本発明の第２実施形態に係る磁気特性測定装置の構成図である。
【図１５】本発明の第３実施形態に係る磁気特性測定装置の構成図である。
【図１６】本発明の第４実施形態に係る磁気特性測定装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図面を参照して本発明の磁気特性測定装置および磁気特性測定方法を実施するための形態の第１〜第４実施形態について詳細に説明する。以下では、説明の都合上、第１実施形態として、１．磁気特性測定装置の概要、２．理論モデルの概要、３．磁気特性測定方法の全体の流れ、４．磁気特性測定装置の制御装置の構成例、５．計算機シミュレーションによる具体例の各章について説明した後、第２〜第４実施形態を順次説明することとする。
【００３４】
（第１実施形態）
［１．磁気特性測定装置の概要］
図１は、本発明の第１実施形態に係る磁気特性測定装置の構成図である。
磁気特性測定装置１は、所定の繰り返し周期ｔrepのレーザ光を強磁性体の試料Ｆに照射することで、当該試料Ｆの異方性磁場Ｈaniを含む磁気特性を測定するものである。
磁気特性測定装置１は、図１に示すように、レーザ光源２と、光学系３と、外部磁場印加手段４と、偏光検出器５と、制御装置６とを備えている。
【００３５】
レーザ光源２は、強磁性体の試料Ｆの磁化の歳差運動の周期ＴMに同期可能な繰り返し周期ｔrepの連続した複数パルスのレーザ光をポンプ光かつプローブ光として照射するものである。ここで、レーザ光源２の繰り返し周波数νL（＝１／ｔrep）は、磁気特性測定対象の試料に応じて、例えば、１００［ＭＨｚ］から１［ＴＨｚ］の範囲で予め設定しておく。ここで、レーザ光源２の繰り返し周期ｔrepは、試料Ｆの磁化の歳差運動の周期ＴMよりも小さいことが好ましい。
【００３６】
本実施形態では、レーザ光源２の一例として、繰り返し周波数νLが例えば３〜５［ＧＨｚ］のモードロックレーザを使用するものとして説明する。なお、この場合、レーザ光源２は、３［ＧＨｚ］の一定の繰り返し周波数のパルスレーザを出力する専用装置としてもよいし、繰り返し周波数を３［ＧＨｚ］で出力するモードと、５［ＧＨｚ］で出力するモードとを切り替えることのできる汎用装置としてもよい。
【００３７】
光学系３は、図１に示すように、例えば、偏光素子としてのビームスプリッタ７と、反射板（第１の反射板）８と、反射板（第２の反射板）９とを備えている。
ビームスプリッタ７は、レーザ光源２から出力される複数パルスのレーザ光を分離するものであり、レーザ光を直線偏光とする。なお、偏光素子として、直線偏光板をさらに備える構成としてもよい。
【００３８】
反射板８は、移動ステージ１１上に配設されている。この光学系３において、ビームスプリッタ７で分離された１つのビーム（以下、ビーム１という）は、直進して試料Ｆに入射する。また、もう１つのビーム（以下、ビーム２という）は、ビームスプリッタ７で方向を変えて、反射板８で反射し、続いて反射板９で反射させ、これら、ビーム１、ビーム２を共に試料Ｆの同じ部位に入射する。そして、移動ステージ１１は、例えば、反射板８へのビーム２の入射方向に対して移動可能に構成されている。
【００３９】
なお、本実施形態では、図１に示すように、光学系３は、反射板９と試料Ｆとの間に集光レンズ１０をさらに備えることも可能で、ビーム１およびビーム２を集光レンズ１０によりそれぞれ集光して試料Ｆに照射できるように構成した。
【００４０】
外部磁場印加手段４は、基板１２に固定された試料Ｆに所定の磁場を印加するものであり、例えば、電磁石で構成される。この外部磁場印加手段４は、後記するように、試料Ｆに磁場を印加することで、試料Ｆにおいて磁化の歳差運動の周期を制御する。本実施形態では、外部磁場印加手段４で印加する磁場（外部磁場Ｈext）の方向を、試料Ｆの異方性磁場Ｈaniの方向と平行であるものとした。つまり、一例として、試料Ｆの有効内部磁場Ｈeffの方向が面内方向である場合には、図１に示すように、外部磁場印加手段４は、試料Ｆに対して面内磁場を印加できるように配設される。なお、試料Ｆに印加する外部磁場Ｈextの大きさ（値）の変化に応じて、試料Ｆにおける有効内部磁場Ｈeffの大きさは変化し、外部磁場Ｈextが試料Ｆに印加されていない場合には、有効内部磁場Ｈeffの大きさは異方性磁場Ｈaniの大きさと等しくなる。
【００４１】
基板１２は、例えば、数〜数十［ｎｍ］程度の薄い膜状の試料Ｆを固定するために設けられており、試料Ｆを固定することができれば、そのサイズ、形状、材質等が限定されるものではない。例えば、試料Ｆを基板１２上にスパッタリング法等により積層する場合には、シリコン（Ｓｉ）やガラス等の一般的な基板材料を用いることができる。このとき、基板１２の厚さや大きさは数［ｍｍ］程度とすることができる。
【００４２】
偏光検出器（偏光成分検出手段）５は、複数パルスのレーザ光から分離されたビームが試料Ｆで反射した反射光をそれぞれ受光してその偏光成分を検出し、この検出した、偏光成分を示す磁気光学信号（magneto-optical信号：以下、ＭＯ信号という）を制御装置６に出力する。以下では、偏光検出器５がビーム２のみを受光する実験条件での結果を示す（図９〜図１３：説明は後記する）。そのため、偏光検出器５の前段に、光遮蔽板１３を配設した。光遮蔽板１３はビーム１を遮り、ビーム２だけが透過できるようにする。なお、逆にビーム１のみを透過させて観測したときや、またはビーム１とビーム２を共に観測したときも、同様の結果が得られることが分かっている。
【００４３】
制御装置６は、例えば、一般的なパーソナルコンピュータ等から構成される。制御装置６は、偏光検出器５で検出したＭＯ信号を取得し、取得したデータを、ＬＬＧ（Landau-Lifshitz-Gilbert）方程式に基づく理論モデルを用いて解析することで、試料Ｆの磁気特性として、有効内部磁場Ｈeffの値とパラメータα（以下、ダンピングファクタαという）の値とを決定するものである。
【００４４】
［２．理論モデルの概要］
この章では、２．１磁化の歳差運動、２．２磁化の歳差運動の干渉、２．３ＭＯ信号の各節について順次説明することとする。
＜２．１ 磁化の歳差運動＞
まず、理論モデルの前提として、磁化の歳差運動について説明する。理論モデルを説明するための概念図を図２に示す。図２では、薄い膜状の試料Ｆが固定される平面をｘｙ平面、その平面の法線方向をｚ軸として示した。つまり、レーザ光源２から照射されるパルス光の照射方向は、ｚ軸方向である。また、図２（ａ）に示す平衡状態においては、試料Ｆの磁化ベクトルＭ（以下、単に磁化Ｍという）と有効内部磁場ベクトルＨeff（以下、単に有効内部磁場Ｈeffという）は、図示するようにｘ軸方向に向いているものとする。
【００４５】
つまり、磁化Ｍは、式（１）で表され、同様に、有効内部磁場Ｈeffは式（２）で表される。なお、式（１）に示すＭsは磁化のｘ成分の大きさ（飽和磁化）を表し、式（２）に示すＨ0は有効内部磁場のｘ成分の大きさを表している。
【００４６】
【数１】
【００４７】
この平衡状態において、光を磁性体に照射すると、物質の温度上昇やキャリア濃度の変化により磁気異方性が変化する。ここでは、図２（ｂ）に示すように、レーザ光源２から試料Ｆに照射されるパルス光の照射直後に、パルス光に起因した磁気異方性の変化が生じて、有効内部磁場Ｈeffがｚ軸方向に角度θだけ傾くと仮定する。したがって、パルス光の照射直後においては、有効内部磁場を示す関係式は、前記した式（２）から式（３）へと書き換えられる。また、このとき、スピンには、磁化Ｍと異方性磁場Ｈaniを含む平面に対して垂直な方向に、式（４）で表されるトルクＦがかかる。なお、式（４）において、記号「×」は外積を表し、γは磁気回転比を表す。
【００４８】
【数２】
【００４９】
したがって、式（４）で表されるトルクＦにより磁化Ｍは歳差運動を始めることになる。パルス光の照射後において、磁化Ｍの歳差運動は、図２（ｃ）に示すように、有効内部磁場Ｈeffを中心軸とする円運動を示す。磁化Ｍの歳差運動の時間変化は、ＬＬＧ方程式と呼ばれる式（５）を用いてよく再現できる（非特許文献１参照）。
【００５０】
【数３】
【００５１】
パルス光照射により誘起された磁化Ｍの歳差運動は、時間の経過にしたがって小さくなる。これをダンピングといい、その挙動は、式（５）に示すダンピングファクタα（Gilbert減衰定数）を用いて表現される。仮にダンピングファクタαを０とすると、磁化Ｍの歳差運動の周期ＴMは、式（６）を用いて求められる。式（６）において、νMは歳差運動の振動数（１／ＴM）、ｈはプランク定数、μBはボーア磁子、ｇはｇ因子をそれぞれ示している。
【００５２】
【数４】
【００５３】
磁化Ｍの歳差運動の周期ＴM（＝１／νM）は、式（６）に示す定数部分を無視すると、ｇ因子と有効内部磁場Ｈeffの値に依存していることが分かる。また、周期ＴMは、試料Ｆの種類や実験条件などに強く依存し、おおよそピコ秒からサブナノ秒であることが、これまでの実験を通して確かめられている（非特許文献１参照）。
【００５４】
ここで、この理論モデルの概要の説明において、簡便のため、次の２つの条件を導入する。
条件１：前記した式（２）に示した角度θ、すなわち、有効内部磁場Ｈeffがｚ軸方向に傾く角度θは、考慮している時間（例えば、ピコ秒からサブナノ秒）では緩和しないものとする。つまり、角度θは、時間に依存せず一定であって、時間ｔの関数ではないものとする。言い換えると、光照射による有効内部磁場Ｈeffの向きの変化の緩和時間τが無限大（τ＝∞）であるものとする。
条件２：ダンピングファクタαの値を０とする。
【００５５】
磁化Ｍの歳差運動の緩和時間τが、磁性体に照射されるパルス光の繰返し周期ｔrepよりも短いとき、磁化Ｍの歳差運動の干渉が起こる。このときの磁化Ｍの挙動は、連続するパルス光照射によって誘起される異方性磁場の変化（複数のパルス光による変化）が、個々のパルス光照射により誘起される異方性磁場の変化（１つのパルス光による変化）の線形和だとすることで計算することができる。このことは、非特許文献２から導かれる。
【００５６】
＜２．２ 磁化の歳差運動の干渉＞
ここで、磁化Ｍの歳差運動の干渉を説明するために、計算機シミュレーションにより２本の連続したパルス光を磁性体に照射することを想定する。また、この計算では、レーザの繰返し周波数νL（＝１／ｔrep）が５［ＧＨｚ］であるものと仮定する。つまり、レーザの繰返し周期ｔrepは、２００［ｐｓ］である。
【００５７】
また、磁性体の磁化Ｍの歳差運動の周期ＴM（＝１／νM）と、レーザの繰り返し周期ｔrep（＝１／νL）とが同期するときに磁性体に生じている有効内部磁場Ｈeffのことを、「共鳴が起こる磁場Ｈres」と表記し、式（７）で表すこととする。また、これを第１共鳴条件と呼ぶことにする。このとき、共鳴が起こる磁場Ｈresは、式（８）のように表される。
【００５８】
【数５】
【００５９】
式（８）において、繰返し周波数νLの値を５［ＧＨｚ］、ｇ因子の値を「２」としたときに、共鳴が起こる磁場Ｈresの値は、１７８．５［ｍＴ］と見積もられる。
【００６０】
式（８）は、前記した式（６）に類似しているが、例えば５［ＧＨｚ］のように固定されたレーザの繰り返し周波数νL（＝１／ｔrep）と、それに伴ってある所定値に固定された有効内部磁場Ｈeff（共鳴が起こる磁場Ｈres）との関係式である。
【００６１】
一方、前記した式（６）は、磁化Ｍの歳差運動の周期ＴM（＝１／νM）と、有効内部磁場Ｈeffとの関係式であり、いずれも変動する。そのため、磁化Ｍの挙動は、この変更可能なパラメータとしての有効内部磁場Ｈeffを変化させることで制御可能である。
【００６２】
ここで、磁化Ｍの歳差運動と、パルスの繰り返し周期ｔrepとの同期について図３を参照して説明する。図３は、磁化の歳差運動と、パルスの繰り返し周期との同期を概念的に示すタイミングチャートである。図３（ａ）では、簡便のため、１本のパルス光が照射されたときの磁化の歳差運動のｙ成分を正弦波形で示した。この例では、磁化の歳差運動の周期ＴMの最初の値を４００［ｐｓ］とした。また、レーザの繰返し周期ｔrepの値は、図３（ｃ）に示すように２００［ｐｓ］とした。例えば、１回目（ｎ＝１）のパルス（パルスレーザ）が時刻０［ｐｓ］で出力され、２回目（ｎ＝２）のパルスが時刻２００［ｐｓ］で出力され、３回目（ｎ＝３）のパルスが時刻４００［ｐｓ］で出力される。なお、パルス波形の時間幅はフェムト秒程度である。
【００６３】
図３（ａ）に示すように、歳差運動の周期ＴMの最初の値（４００［ｐｓ］）と、繰り返し周期ｔrepの値（２００［ｐｓ］）とが異なる場合には、磁化の歳差運動はパルスの繰り返し周期ｔrepに同期していないので、複数本のパルス光が照射されたとしても、磁化Ｍの歳差運動と、パルスレーザとの共鳴は起こらない（非共鳴）。
【００６４】
次に、レーザの繰返し周期ｔrepの値を２００［ｐｓ］に固定した状態で、所定値の外部磁場を印加することで、図３（ｂ）に示すように、磁化Ｍの歳差運動の周期ＴMの値を２００［ｐｓ］に変化させた。図３（ｂ）に示す例の場合には、歳差運動の周期ＴMの値（２００［ｐｓ］）と、繰り返し周期ｔrepの値（２００［ｐｓ］）とは同じであり、磁化の歳差運動はパルスの繰り返し周期ｔrepに同期する。このとき、例えば、２回目（ｎ＝２）のパルスが照射されると、１回目に生じた歳差運動と、２回目に生じた歳差運動とが干渉する。そして、共鳴が起こり、１回目（ｎ＝１）のパルスが照射された場合と比較して、磁化Ｍの歳差運動の振幅がおよそ２倍となる。同様に、共鳴により、３回目（ｎ＝３）のパルスが照射されると、初めの振幅のおよそ３倍となる。
【００６５】
図３に示した波形は、磁化Ｍの歳差運動と、パルスの繰り返し周期ｔrepとの同期について概念的に説明するための一例であって、実際の波形とは異なっている。しかしながら、計算機シミュレーションで実際に確かめた結果、次のことが結論付けられた。
【００６６】
第１共鳴条件においては、磁化Ｍの歳差運動に、次のような特徴がある。すなわち、磁性体の有効内部磁場Ｈeffの値が、その磁性体においてパルス光との共鳴が起こる磁場Ｈresの値と等しいという条件を満たす場合においては、磁化Ｍの歳差運動の振幅は、ポンプ光として照射されたパルス光の個数におおよそ比例して増大する。
一方、第１共鳴条件を満たさない場合（非共鳴条件の場合）、複数のパルス光照射により誘起される磁化Ｍの歳差運動は、各々が打ち消しあって歳差運動の振幅が小さくなる。
そこで、本実施形態では、連続したパルス光で励起した磁化Ｍの挙動を、パルス光の反射光が示すＭＯ信号を観測して評価することとした。
【００６７】
＜２．３ ＭＯ信号＞
この節では、２．３．１有効内部磁場とＭＯ信号との関係、２．３．２外部磁場とＭＯ信号との関係、２．３．３ダンピングファクタとＭＯ信号との関係、２．３．４第１共鳴条件とＭＯ信号との関係、２．３．５ビームの遅延時間とＭＯ信号との関係、２．３．６観測されるＭＯ信号の定義の各テーマについて順次説明することとする。
【００６８】
また、この節では、本実施形態で観測されるＭＯ信号の定義を２段階に分けて説明する。２．３．１〜２．３．５のテーマでは、第１段階として、パルスの繰り返し周期ｔrepを考慮してＭＯ信号を定義し、２．３．６のテーマでは、第２段階として、ビームスプリッタ７で分離したビーム１およびビーム２の遅延時間ｔintをも考慮してＭＯ信号を定義する。そして、以下では、第１段階で定義されるＭＯ信号（仮ＭＯ信号）により、本実施形態の理論モデルの概要を説明し、この仮ＭＯ信号を前提に、本実施形態で観測されるＭＯ信号を説明する。
【００６９】
≪２．３．１≫有効内部磁場とＭＯ信号との関係
まず、第１段階のＭＯ信号Θを、一例として式（９ａ）で定義する。
【００７０】
【数６】
【００７１】
ここで、ｎは、レーザ光源２から出力される何番目のパルスであるかを示す整数である（ｎ＝０，１，２，…）。
【００７２】
式（９ｂ）に示すΘxδＭxnとΘyδＭynとは、ともに、ＭＬＤ（magnetic linear dichroism：磁気線二色性）と縦カー効果とを介して観測される面内磁化成分の変化を表している。また、式（９ｂ）に示すΘzδＭznは、極カー効果を介して観測される面直磁化成分の変化を表している。また、Θx、Θy、Θzは、試料Ｆの種類や温度などの実験条件に依存し、観測されるＭＯ信号Θの偏光依存性や波長依存性などから評価する重みを表している。また、δＭxn、δＭyn、δＭznは、直接観測するものではなく、式（９ｃ）〜式（９ｅ）により計算で求めるものである。
【００７３】
式（９ｃ）〜式（９ｅ）の右辺において、ｔrepは、パルスの繰り返し周期（１／νL）を示し、Ｍxn（ｎｔrep）、Ｍyn（ｎｔrep）、Ｍzn（ｎｔrep）は、ｎ番目のパルスを受けた時刻での磁化Ｍのｘ成分、ｙ成分、ｚ成分の大きさを示し、Ｍsは飽和磁化を示す。
【００７４】
また、式（９ｃ）〜式（９ｅ）の左辺にそれぞれ示すδＭxn、δＭyn、δＭznは、ｎ番目のパルスによる磁化Ｍのｘ成分、ｙ成分、ｚ成分の変化を表している。ここで、非特許文献２の手法にならって、連続するパルス光照射によって誘起される異方性磁場の変化が、個々のパルス光照射により誘起される異方性磁場の変化の線形和であるものとして、式（１０ａ）〜式（１０ｃ）にそれぞれ示すように、ｎ本の連続して出力されるパルスによって誘起される異方性磁場の変化δＭx、δＭy、δＭzを、ＭＯ信号の各成分に相当する量として計算する。
【００７５】
【数７】
【００７６】
一例として、連続して出力されるパルス本数ｎを「５０」として計算したδＭx、δＭy、δＭzの磁場依存性を図４に示す。図４のグラフにおいて、横軸は、有効内部磁場Ｈeffを示し、縦軸は、δＭx、δＭy、δＭzのそれぞれの大きさを任意単位（a.u.：arbitrary unit）で重ねて示している。ここでは、繰返し周波数νLの値を５［ＧＨｚ］として、前記の２つの条件（ダンピングファクタα＝０、緩和時間τ＝∞）を課して計算した。
【００７７】
なお、δＭxは、δＭyやδＭzに比べて３桁ほど小さい。また、計算負荷を低減するためにｎ＝５０としたが、パルス本数ｎの個数は、５０に限定されるものではない。さらに、パルス光を照射し続けると磁化の傾く角度θの大きさは増え続けるが、充分な時間が経過すると緩和するためにある擬平衡状態となる。この擬平衡状態も計算により求めることができる。
【００７８】
図４のグラフから、有効内部磁場Ｈeffの値がおよそ１７８．５［ｍＴ］である場合に、δＭx、δＭy、δＭzの値がそれぞれ「０」となっていることが分かる。これは、第１共鳴条件が満たされる条件下では、磁化Ｍは、図２（ａ）に示すような平衡状態の向きとほぼ同じ向きになるためである。また、このときの有効内部磁場Ｈeffの値は、前記した式（８）において、ｇ因子の値を「２」として見積もられた、共鳴が起こる磁場Ｈresの値と同様なものである。一方、第１共鳴条件が満たされないときの有効内部磁場Ｈeffの範囲では、図４に示すように、δＭx、δＭy、δＭzの値が有効内部磁場Ｈeffにほとんど依存せずに一定値を取っている。つまり、δＭx、δＭy、δＭz（ＭＯ信号の各成分に相当する量）の値は、第１共鳴条件を満たす磁場近辺で顕著な変化を示すと結論付けられる。
【００７９】
≪２．３．２≫外部磁場とＭＯ信号との関係
外部磁場Ｈext中にある強磁性体の有効内部磁場Ｈeffは、式（１１）で記述される。この式（１１）において、Ｈdemは反磁場を示す。ここでは、ＨaniがＨdemに比べて十分大きいものと仮定しＨdem＝０とした式（１２）を用いることとする。このとき、異方性磁場Ｈaniは、式（１３）より求められる。
【００８０】
【数８】
【００８１】
共鳴が起こる磁場Ｈresは、前記した式（８）の関係式から、レーザの繰返し周期ｔrep（＝１／νL）によって決まる。そのため、有効内部磁場Ｈeffの値が、共鳴が起こる磁場Ｈresの値と等しいとき、すなわち、第１共鳴条件を満たすときに、外部磁場Ｈextを決定できれば、異方性磁場Ｈaniが決定できることを式（１２）および式（１３）は示唆している。なお、本実施形態では、外部磁場Ｈextの方向と、異方性磁場Ｈaniの方向とを平行であるものとして取り扱うことで、式（１３）においてベクトルである磁場をスカラーとして取り扱うこととする。
【００８２】
第１共鳴条件を満たす外部磁場Ｈextを決定することは、ＭＯ信号を外部磁場Ｈextに対して系統的に観測することで実現できる。つまり、試料Ｆに所定値の外部磁場Ｈextを印加した状態で、連続パルスを照射したときに、偏光検出器５でＭＯ信号を検出し、制御装置６で解析した結果、第１共鳴条件を満たさなければ、外部磁場Ｈextの値を変更して同様な操作を繰り返せばよい。
【００８３】
例えば、試料Ｆに外部磁場を印加していない場合に磁化Ｍの歳差運動の振動数をνM1とすると、前記した式（６）は式（１４）のように書き換えられる。また、外部磁場Ｈext中でパルス光に共鳴するときの磁化Ｍの歳差運動の振動数をνM2とすると、前記した式（６）は式（１５）のように書き換えられる。
【００８４】
【数９】
【００８５】
≪２．３．３≫ダンピングファクタとＭＯ信号との関係
この節の説明において、前記の２つの条件（ダンピングファクタα＝０、緩和時間τ＝∞）は、簡便のために導入した。ただし、実際には、例えば、強磁性金属の緩和時間τは数マイクロ秒から数ミリ秒であり、強磁性半導体の緩和時間τはサブナノ秒であることが知られている。また、実際のダンピングファクタαは、強磁性金属でも強磁性半導体でも、0.1〜0.001のオーダーにあることが知られている。強磁性体の磁気特性において、異方性磁場Ｈaniに加えて、ダンピングファクタαの決定も重要な課題である。
【００８６】
一例として、連続して出力されるパルス本数ｎを「５０」として計算したδＭx、δＭy、δＭzの磁場依存性およびα依存性を図５（ａ）〜図５（ｃ）に示す。図５（ａ）〜図５（ｃ）のグラフにおいて、横軸は、有効内部磁場Ｈeffを示し、縦軸は、δＭx、δＭy、δＭzのそれぞれの大きさを任意単位で示している。ここでは、繰返し周波数νLの値を５［ＧＨｚ］として、前記の２つの条件のうち緩和時間τ＝∞だけを課して、ダンピングファクタαの値を０，0.001，0.01，0.1，1としたときのそれぞれのケースについて計算した。
【００８７】
図５（ａ）〜図５（ｃ）に示すように、δＭx、δＭy、δＭzの磁場依存性を示すグラフは、それぞれ特徴的な形状をしていることが分かる。具体的には、ダンピングファクタαの値が０である場合には、図４に示したグラフと同じ形状となる。つまり、有効内部磁場Ｈeffの値が第１共鳴条件（およそ１７８．５［ｍＴ］）の前後の非共鳴条件の範囲では、グラフはほぼ平坦に形成されているが、第１共鳴条件の範囲では、グラフに凸形状または凹形状の突出部が形成されている。この突出部はグラフにおいて所定磁場範囲を示す線幅を有している。まず、ダンピングファクタαの値を、０から0.001に増加しても、δＭx、δＭy、δＭz（ＭＯ信号の各成分に相当する量）に大きな変化は見られない。つまり、グラフにおいて、αの値が０であるときの線幅と、αの値が0.001であるときの線幅とはほとんど同じであるが、これは、計算の精度不足に起因する。
【００８８】
一方、一般的な強磁性体が示すダンピングファクタαの値の範囲（0.1〜0.001のオーダー）では、ダンピングファクタαの値を増加すると、線幅が広くなる傾向にある。つまり、グラフの形状において、特に、線幅はダンピングファクタαの値に強く依存すると結論付けられる。このことは、試料Ｆを用いたときに観測されるＭＯ信号Θ（δＭx、δＭy、δＭzに相当する量）の磁場依存性を解析することで、試料Ｆのダンピングファクタαの値が決定できることを示唆する。
【００８９】
≪２．３．４≫第１共鳴条件とＭＯ信号との関係
次に、第１共鳴条件を詳細に検討する。常磁性体のＲＳＡは、パルス光の繰り返し周期が、キャリアスピンの歳差運動の周期の整数倍になるときに、キャリアスピンの歳差運動の振幅が共鳴的に増幅する現象である。強磁性体においても、これと同じことが生じると仮定する。つまり、周波数領域に換算すると、この理論モデルにおいて、レーザの繰り返し周波数νLが磁化Ｍの歳差運動の振動数νMの例えば２倍になるときに、共鳴により磁化Ｍの歳差運動の振幅が０．５倍になると仮定する。この場合、前記した式（１５）および式（８）は、式（１６）および式（１７）に書き換えられる。
【００９０】
【数１０】
【００９１】
このときに、磁化Ｍの歳差運動に生じる現象を概念的に示すグラフを図６（ａ）に示す。図６（ａ）に破線で示す波形は、図３（ｂ）に実線で示した波形を拡大して表示したものである。つまり、図６（ａ）に破線で示す波形は、磁化Ｍの歳差運動の周期ＴMの値が、レーザの繰返し周期ｔrepの値と同様に２００［ｐｓ］であることを示している。周波数領域に言い換えると、磁化Ｍの歳差運動の振動数νMの値と、レーザの繰返し周波数νLの値とが共に５［ＧＨｚ］であることを示している。ここで、前記の仮定により、レーザの繰り返し周波数νLが仮に１０［ＧＨｚ］に倍増して、それに同期して磁化Ｍの歳差運動の振動数νMも２倍になったときに共鳴により磁化Ｍの歳差運動の振幅が０．５倍になる。このときの波形を図６（ａ）に実線で示す。
【００９２】
これと同じ現象を、逆に、図６（ａ）に実線で示す波形から、図６（ａ）に破線で示す波形へと移り変わるものとして説明すると、以下の通りとなる。すなわち、１回目の実験において、磁化Ｍの歳差運動の周期ＴMの値が、レーザの繰返し周期ｔrepの値と同様に１００［ｐｓ］であるときに、共鳴が生じる場合に、図６（ａ）に実線で示す波形が得られる。続けて、２回目の実験でレーザの繰り返し周期ｔrepの値を２倍にして２００［ｐｓ］とすると、磁化Ｍの歳差運動が同期してその周期ＴMの値が２００［ｐｓ］となって共鳴し、図６（ａ）に破線で示す波形が得られる。
【００９３】
前記したように、第１共鳴条件を満たすときに、外部磁場Ｈextを決定できれば、異方性磁場Ｈaniが決定できることを、前記した式（１２）および式（１３）は示唆している。ただし、ＲＳＡの仮定により、１回目の実験および２回目の実験で説明したように、磁化Ｍの歳差運動の周期ＴMの値が１００［ｐｓ］のときに共鳴が起こったと判定したときに決定した外部磁場Ｈextの値と、２００［ｐｓ］のときに共鳴が起こったと判定したときに決定した外部磁場Ｈextの値とは異なってしまう。このことは、第１共鳴条件が次のように書き換えられることを意味する。ここで、Ｎ1は自然数である。
【００９４】
【数１１】
【００９５】
式（１８）で示す第１共鳴条件は、異方性磁場Ｈaniが一意に決定できない可能性を示唆する。このことは、例えば、異方性磁場Ｈaniの値が既知であって、その値を精度よく求める場合には不都合は生じないが、異方性磁場Ｈaniの値が未知である試料を測定対象とした場合には不都合である。
【００９６】
≪２．３．５≫ビームの遅延時間とＭＯ信号との関係
そこで、このような不測な場合も想定し、式（１８）で示す第１共鳴条件で決定したいずれか１つの外部磁場Ｈextの値を取得できることを前提にして、既に説明した仮ＭＯ信号を発展的に解消して、本実施形態で観測されるＭＯ信号の定義の第２段階を説明する。第２段階では、パルスの繰り返し周期ｔrepと、ビームスプリッタ７で分離したビーム１およびビーム２の遅延時間ｔintとを考慮してＭＯ信号を定義する。
【００９７】
本実施形態の磁気特性測定装置１の制御装置６（図１参照）は、この予め取得した外部磁場Ｈextの値に設定した磁場を試料Ｆに印加し、かつ、分離した各パルスビームを試料Ｆに重ねて照射したときに、それぞれのパルス光照射により、試料Ｆの磁化Ｍの歳差運動が共鳴するときの移動ステージ１１の位置を第２共鳴条件として取得することとした。
そして、制御装置６は、外部磁場Ｈextの値と、第２共鳴条件において検出したＭＯ信号および移動ステージ１１の位置との各情報を用いてＬＬＧ方程式に基づいて、試料Ｆの異方性磁場Ｈaniの値を算出することとした。
【００９８】
移動ステージ１１の位置は、ビーム１およびビーム２の遅延時間ｔintに対応している。これら２本のパルス光の遅延時間tintが歳差運動の緩和時間τよりも短いとき、磁化歳差運動の共鳴が起こる。また、レーザ光源２から１回目（ｎ＝１）のパルス（パルスレーザ）が出力されて分離したビーム２と、２回目（ｎ＝２）のパルスが出力されて分離したビーム１とが重なる場合が、遅延時間ｔintの理論的な最大値を与える。つまり、遅延時間ｔintの最大値は、パルスの繰り返し周期ｔrepの値である。
【００９９】
そこで、本実施形態では、移動ステージ１１の位置を、次の式（１９）により、遅延時間ｔintおよびレーザ繰り返し周期ｔrepに関連付けることとした。ここで、Ｎ2は自然数である。移動ステージ１１の所定の位置において、この式（１９）を満たすとき、第２共鳴条件を満たすものとする。
【０１００】
【数１２】
【０１０１】
ここで、式（１８）に示した第１共鳴条件（自然数Ｎ1＝Ｈeff／Ｈres）が成立していることが前提である。また、自然数Ｎ2が自然数Ｎ1と等しくなるときに、ビーム１とビーム２のそれぞれが誘起した歳差運動の共鳴条件が現れる。つまり、遅延時間tintを制御変数としてＭＯ信号Θを系統的に観測することで、自然数Ｎ2（＝Ｎ1）が決定できる。そして、レーザ繰り返し周期ｔrepから、共鳴が起こる磁場Ｈresが求められる。その結果、式（１８）にしたがって、有効内部磁場Ｈeffの値が決定できる。ゆえに、前記した式（１２）および式（１３）の関係から、最終的に異方性磁場Ｈaniの値を一意に決定できることとなる。
【０１０２】
具体例として、Ｎ2＝１の場合のレーザパルスを図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）において、ｎはレーザ光源２から出力されるｎ番目のパルス光であることを示す。また、ｎ番目のパルス光において分離したビームをｍの値で区別した。ｍ＝１はビーム１を示し、ｍ＝２はビーム２を示す。一例として、レーザ繰り返し周期ｔrepを２００［ｐｓ］とした。ここでは、１番目のパルス光において分離したビーム１が時刻０［ｐｓ］で照射され、１番目のパルス光において分離したビーム２が時刻２００［ｐｓ］で照射されている。また、２番目のパルス光において分離したビーム１も時刻２００［ｐｓ］で照射されているため、時刻２００［ｐｓ］ではパルス光が重なっている。なお、図６（ｂ）に示すレーザパルスは、図６（ａ）に破線で示す歳差運動の振幅波形に対応している。
【０１０３】
同様に、Ｎ2＝２の場合のレーザパルスを図６（ｃ）に示す。ここでは、１番目のパルス光において分離したビーム１が時刻０［ｐｓ］で照射され、１番目のパルス光において分離したビーム２が時刻１００［ｐｓ］で照射されている。このレーザパルスは、図６（ａ）に実線で示す歳差運動の振幅波形に対応している。
【０１０４】
さらに、Ｎ2＝４の場合のレーザパルスを図６（ｄ）に示す。ここでは、１番目のパルス光において分離したビーム１が時刻０［ｐｓ］で照射され、１番目のパルス光において分離したビーム２が時刻５０［ｐｓ］で照射されている。なお、対応する波形の図示は省略した。
【０１０５】
≪２．３．６≫観測されるＭＯ信号の定義
第２段階のＭＯ信号の一例として３次元ベクトルΘを式（２０ａ）で定義する。
【０１０６】
【数１３】
【０１０７】
ここで、式（２０ａ）〜式（２０ｅ）は、遅延時間tintを考慮した点を除くと、式（９ａ）〜式（９ｅ）と同様なものである。すなわち、式（２０ｃ）〜式（２０ｅ）の右辺において、Ｍxn（ｎｔrep）、Ｍyn（ｎｔrep）、Ｍzn（ｎｔrep）は、ｎ番目のパルスのビーム１を受けた時刻での磁化Ｍのｘ成分、ｙ成分、ｚ成分の大きさを示す。また、Ｍxn（ｎｔrep＋tint）、Ｍyn（ｎｔrep＋tint）、Ｍzn（ｎｔrep＋tint）は、ｎ番目のパルスのビーム２を受けた時刻での磁化Ｍのｘ成分、ｙ成分、ｚ成分の大きさを示す。
【０１０８】
また、式（１０ａ）〜式（１０ｃ）と同様に、非特許文献１の手法にならって、式（２１ａ）〜式（２１ｃ）にそれぞれ示すように、ｎ本の連続して出力されるパルスによって誘起される異方性磁場の変化δＭx、δＭy、δＭzを、ＭＯ信号の各成分に相当する量として計算することとする。
【０１０９】
【数１４】
【０１１０】
ここで、これら式（２１ａ）〜式（２１ｃ）で示される異方性磁場の変化δＭx、δＭy、δＭzは、直接観測するものではないが、観測されるＭＯ信号Θに相当するものである。これらδＭx、δＭy、δＭzを用いた計算機シミュレーションによる具体例については、後記する。
【０１１１】
［磁気特性測定方法の全体の流れ］
次に、磁気特性測定方法の全体の流れについて図７を参照（適宜図１参照）して説明する。磁気特性測定装置１は、制御装置６によって、第１共鳴条件（Ｎ1＝Ｈeff／Ｈres）において試料Ｆに印加されていた外部磁場Ｈextの情報を予め取得しておく（ステップＳ１）。
【０１１２】
制御装置６は、試料Ｆの磁化Ｍの歳差運動が、連続した複数パルスに共鳴するときの移動ステージ１１の位置を第２共鳴条件として探索する第２共鳴条件探索段階（ステップＳ２〜Ｓ８）と、第２共鳴条件が探索されたときに、試料Ｆの異方性磁場Ｈaniを求める磁場算出段階（ステップＳ９）とを実行する。
【０１１３】
第２共鳴条件探索段階では、パルスレーザ光をビームスプリッタ７でビーム１とビーム２とに分離する。そして、ビーム１のパスに挿入した移動ステージ１１を用いてビーム１とビーム２との遅延時間tintを制御し、ビーム１とビーム２とを試料Ｆに重ねて照射する。
【０１１４】
この第２共鳴条件探索段階は、所定条件が成立するまで繰り返す一連の処理として、外部磁場印加手段４による処理（ステップＳ２）と、レーザ光源２による処理（ステップＳ３）と、偏光検出器５による処理（ステップＳ４）と、制御装置６による処理（ステップＳ５，Ｓ６）とを協働して実行する。すなわち、ステップＳ２にて、外部磁場印加手段４は、予め取得した外部磁場Ｈextを試料Ｆに印加する。ステップＳ３にて、レーザ光源２は、連続した複数パルスのレーザ光をポンプ光として出力する。ステップＳ４にて、偏光検出器５は、ビーム１およびビーム２を試料Ｆが反射した反射光のうち、ビーム２が示す磁気光学効果（偏光成分）を検出する。
【０１１５】
また、ステップＳ５にて、制御装置６は、偏光検出器５で検出した偏光成分を、ＭＯ信号Θとして取得する。そして、ステップＳ６にて、制御装置６は、現在の移動ステージ１１の位置で試料のＭＯ信号Θの絶対値が最小となったか否かを判定することで所定条件が成立したか否かを判定する処理を実行する。ＭＯ信号Θの絶対値が最小となっていない場合に（ステップＳ６：Ｎｏ）、制御装置６は、移動ステージ１１を移動させる処理（ステップＳ７）を実行する。一方、ＭＯ信号Θの絶対値が最小となった場合に（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、制御装置６は、移動ステージ１１の位置を第２共鳴条件（Ｎ2＝ｔrep／ｔint）として求める処理（ステップＳ８）を実行する。
【０１１６】
磁場算出段階（ステップＳ９）は、制御装置６によって、第２共鳴条件が求められたときに、この第２共鳴条件において検出したＭＯ信号Θおよび移動ステージ１１の位置と、取得した外部磁場の大きさＨextと、繰り返し周期ｔrepとの各情報を用いて、ＬＬＧ方程式に基づいて、試料Ｆの異方性磁場Ｈaniを求める。
【０１１７】
［磁気特性測定装置の制御装置の構成例］
次に、磁気特性測定装置１の制御装置６の構成例について図８を参照して説明する。
ここでは、制御装置６は、第１共鳴条件取得部２１と、外部磁場制御部２２と、レーザ光源制御部２３と、移動ステージ制御部２４と、ＭＯ信号取得部２５と、ＭＯ信号蓄積部２６と、第２共鳴条件取得部２７と、異方性磁場算出部２８と、フィッティングデータ記憶部２９と、減衰パラメータ算出部３０とを備えることとした。
【０１１８】
第１共鳴条件取得部２１は、試料Ｆの磁化Ｍの歳差運動を、パルスの繰り返し周期ｔrep（＝１／νL）に同期させるために試料Ｆに印加する外部磁場Ｈextの値を第１共鳴条件として取得するものである。第１共鳴条件取得部２１は、取得した外部磁場Ｈextの値を外部磁場制御部２２と異方性磁場算出部２８とに出力する。
【０１１９】
外部磁場制御部２２は、外部磁場印加手段４を制御して、磁場のオン／オフを切り替えたり、第１共鳴条件取得部２１から取得した外部磁場Ｈextの値の磁場を試料Ｆに印加させたりするものである。
レーザ光源制御部２３は、レーザ光源２を制御して、パルスレーザのオン／オフを切り替えるものである。
【０１２０】
移動ステージ制御部２４は、移動ステージ１１を制御して、予め第２共鳴条件の自然数に対応付けている目盛り位置に、移動ステージ１１を順次移動するものである。
ＭＯ信号取得部２５は、偏光検出器５からＭＯ信号Θを取得し、ＭＯ信号蓄積部２６に格納する。ＭＯ信号蓄積部２６は、例えば一般的なメモリやハードディスク等から構成される。なお、ＭＯ信号蓄積部２６は、第１共鳴条件取得部２１で取得した外部磁場Ｈextの値も記憶する。
【０１２１】
第２共鳴条件取得部２７は、レーザ光源制御部２３および移動ステージ制御部２４を統括すると共に、ＭＯ信号蓄積部２６に蓄積されているＭＯ信号Θのデータを参照して、各データを比較することにより、現在の移動ステージ１１の位置で試料のＭＯ信号Θの絶対値が最小となったか否かを判定するものである。この第２共鳴条件取得部２７は、判定の結果、ＭＯ信号Θの絶対値が最小となったと判定したときに、現在の移動ステージ１１の位置に対応する自然数Ｎ2を異方性磁場算出部２８に出力する。また、第２共鳴条件取得部２７は、判定の結果、ＭＯ信号Θの絶対値が最小ではないと判定したときに、レーザ光源制御部２３および移動ステージ制御部２４と協働して、前記したステップＳ９の第２共鳴条件探索段階を続行する。
【０１２２】
異方性磁場算出部２８は、レーザ繰り返し周期ｔrep（＝１／νL）の値に基づいて、前記した式（９）により、共鳴が起こる磁場Ｈresを算出する。
異方性磁場算出部２８は、算出した共鳴が起こる磁場Ｈresと、第２共鳴条件取得部２７から第２共鳴条件として取得した移動ステージ１１の位置に対応する自然数Ｎ2（＝Ｎ1）とを用いて、前記した式（１８）により、有効内部磁場Ｈeffの値を決定する。
異方性磁場算出部２８は、決定した有効内部磁場Ｈeffの値と、第１共鳴条件取得部２１から取得した外部磁場Ｈextの情報とを用いて、前記した式（１３）により、試料Ｆの異方性磁場Ｈaniを算出する。
異方性磁場算出部２８は、算出した異方性磁場Ｈaniを図示しないディスプレイに表示すると共に、決定した有効内部磁場Ｈeffの値を減衰パラメータ算出部３０に出力する。
【０１２３】
フィッティングデータ記憶部２９は、ＬＬＧ方程式による理論計算から予め求められた、ＭＯ信号の磁場依存性およびα依存性のデータ（以下、フィッティングデータという）を記憶するものであって、例えば一般的なメモリやハードディスク等から構成される。なお、有効内部磁場Ｈeffに対してＭＯ信号Θの絶対値が最小となるときの磁場の範囲に対して最適なダンピングファクタαの値を算出することが可能であれば、フィッティングデータは、予め変換テーブルとして備えるものでもよいし、演算に用いる所定の関数等の情報でもよい。
【０１２４】
減衰パラメータ算出部３０は、異方性磁場算出部２８から有効内部磁場Ｈeffの値を取得し、ＭＯ信号蓄積部２６に蓄積されているＭＯ信号Θのデータを参照して、フィッティングデータ記憶部２９に記憶されたフィッティングデータとフィッティングすることで、試料の磁気特性として、試料固有のダンピングファクタαの値を算出するものである。
【０１２５】
［計算機シミュレーションによる具体例］
前記した式（２１ａ）〜式（２１ｃ）で示される異方性磁場の変化δＭx、δＭy、δＭz（観測されるＭＯ信号Θに相当）を、式（１９）に示す第２共鳴条件において、Ｎ2が１，２，３，４，５の場合を条件として計算機シミュレーションにより求めた結果を、図９〜図１３にそれぞれ示す。図９〜図１３のグラフにおいて、横軸は、「ｔrep／ｔint」、つまり、第２共鳴条件の自然数Ｎ2を示している。また、縦軸は、δＭx、δＭy、δＭzのそれぞれの大きさを任意単位で重ねて示している。ただし、前記した式（２０ｃ）および式（２１ａ）の定義から、各グラフにおいてδＭxに関しては、縦軸が負の領域を表し、縦軸の最大値が「０」である。
【０１２６】
ここでは、異方性磁場Ｈaniの値が既知である試料を想定し、その試料の磁化の歳差運動が、レーザの繰り返し周期ｔrepに同期して共鳴が起こる磁場の大きさの最低値をＨresで表記することした。つまり、共鳴が起こる磁場の大きさは、Ｈres、２Ｈres、３Ｈres、４Ｈres、５Ｈres等である。
【０１２７】
このうち、第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝１である場合に、レーザの繰り返し周期ｔrepを固定値として、ビーム１およびビーム２の遅延時間ｔintを変化させたときの異方性磁場の変化δＭx、δＭy、δＭzの一例を図９に示す。第２共鳴条件を満たすときのグラフ上の特徴は、磁化の向きが平衡状態の向きと近いため、観測されるＭＯ信号が小さくなって、理論的に値が「０」になるというものである。
【０１２８】
図９に示すように、δＭx、δＭy、δＭzは、「ｔrep／ｔint」の値、つまり、第２共鳴条件の自然数Ｎ2の値に依存する特徴的な振る舞いを示していることが分かる。具体的には、図９に示すように、ｔrep／ｔintの値が「１」である場合に、δＭx、δＭy、δＭzの値はいずれも理論的に「０」になる。なお、各グラフにおいて値が僅かに「０」からずれている原因は、計算機シミュレーションの精度に起因するものである。このことは他のグラフの結果においても同様である。
【０１２９】
一方、図９に示すように、ｔrep／ｔintの値が、２，３，４，５，６である場合に、δＭx、δＭy、δＭzの値すべてが「０」になることはない。このことから、第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝１を前提にしたときに、ｔrep／ｔintが自然数であっても、その値が２，３，４，５，６である場合には、第２共鳴条件を満たしていないことを意味する。しかしながら、前記したように、第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝１を前提にしたときに、ｔrep／ｔintの値が「１」である場合には、第２共鳴条件を満たす。したがって、図９に示すδＭx、δＭy、δＭzの結果から、第２共鳴条件の自然数は、「１」であることが分かる。
【０１３０】
次に、第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝２である場合に、同様に調べた異方性磁場の変化δＭx、δＭy、δＭzの一例を図１０に示す。図１０に示すように、ｔrep／ｔintの値が「２」である場合に、δＭx、δＭy、δＭzの値はいずれも理論的に「０」になる。したがって、図１０に示すδＭx、δＭy、δＭzの結果から、第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝２を前提にしたときには、第２共鳴条件の自然数は「２」であると結論付けられる。
【０１３１】
次に、第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝３である場合に、図１１に示すように、ｔrep／ｔintの値が「３」である場合に、δＭx、δＭy、δＭzの値はいずれも理論的に「０」になる。したがって、図１１に示す結果から、第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝３を前提にしたときには、第２共鳴条件の自然数は「３」であると結論付けられる。
【０１３２】
次に、第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝４である場合に、同様に調べた異方性磁場の変化δＭx、δＭy、δＭzの一例を図１２に示す。図１２に示すように、ｔrep／ｔintの値が「１」、「２」、「４」である場合に、δＭx、δＭy、δＭzの値はいずれも理論的に「０」になる。したがって、図１２に示すδＭx、δＭy、δＭzの結果から、第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝４を前提にしたときには、第２共鳴条件の自然数は、「１」、「２」、「４」であると結論付けられる。
【０１３３】
同様に、図１３に示すように、第１共鳴条件がＨeff／Ｈres＝５を前提にしたときには、第２共鳴条件の自然数は「５」であると結論付けられる。
図９〜図１３に示した計算機シミュレーションの結果を一般化すると、観測されたＭＯ信号から、trep／tintの値と、Ｈeff／Ｈresの値とが等しくなるとき、すなわち、自然数Ｎ1と自然数Ｎ2とが等しいときには、第２共鳴条件を満たす。そして、このときの自然数を、Ｈeff／Ｈresの値として決定できる。
【０１３４】
以上の計算機シミュレーションにおいて、trep／tintの値を変化させながら測定することは、移動ステージ１１を動かしながら測定することに相当する。また、trep／tintの値は、移動ステージ１１の位置から一義的に決定できる。このため、移動ステージ１１を移動させながらＭＯ信号を観測すると、第１共鳴条件であるＨeff／Ｈresを示す自然数Ｎ1の値に依存して、図９〜図１３に示すようなδＭx、δＭy、δＭzの振る舞いが観測される。
【０１３５】
したがって、第１実施形態の磁気特性測定装置１によれば、第２共鳴条件を満たすときに観測されたＭＯ信号のデータ（移動ステージ１１を移動させながら実際に観測した信号の波形）と、理論計算から導かれる結果（trep／tintの値を変化させたときの理論的な信号の波形）とを比較することで、異方性磁場Ｈaniが未知の試料であっても、Ｈeff／Ｈresの値（第１共鳴条件の自然数Ｎ1）を推定でき、その結果、異方性磁場Ｈaniの値を一意に決定することができる。また、磁気特性測定装置１によれば、ダンピンファクタαの値も決定することができる。
【０１３６】
（第２実施形態）
図１４に示すように、第２実施形態の磁気特性測定装置１Ａは、外部磁場印加手段４Ａが試料Ｆに対して面直磁場を印加できるように配設されている点を除いて、図１に示した磁気特性測定装置１と同じ構成である。これにより、有効内部磁場Ｈeffの方向が面直方向である試料Ｆも測定対象とすることができる。
なお、外部磁場印加手段が、面直磁場を印加するモードと、面内磁場を印加するモードに対応するように、両方の構成を備えるか、または、両方のモードを兼ねるように配置を切り替えることができるように構成するようにしてもよい。
【０１３７】
（第３実施形態）
図１５に示すように、第３実施形態の磁気特性測定装置１Ｂは、複数パルスのレーザ光から分離されたビーム１およびビーム２が試料Ｆを透過した透過光のうち、ビーム２を偏光検出器５で受光してその偏光成分を検出できるように配設されると共に、試料Ｆを固定する基板１２Ｂと、試料Ｆの裏面とにより凹部１４が形成されている点を除いて、図１に示した磁気特性測定装置１と同じ構成である。
【０１３８】
この場合、ＭＯ信号は、カー効果の代わりに、ファラデー効果を介して観測されるが、ＭＯ信号は、第１実施形態と同様に定義することができる。また、凹部１４のサイズや形状は任意であり、基板１２Ｂの貫通孔である必要も無い。例えば、中心からビーム透過可能な薄さの領域を残して基板材料を剥離してもよい。なお、基板１２Ｂは、薄い膜状の試料Ｆを表面および裏面から挟み込んで固定するようにしてもよい。
【０１３９】
（第４実施形態）
図１６に示すように、第４実施形態の磁気特性測定装置１Ｃは、偏光成分検出手段５Ｃを備えている点を除いて、図１に示した磁気特性測定装置１と同じ構成である。この偏光成分検出手段５Ｃは、図１に示す偏光検出器５に相当するものであって、ＰＤ５１と、光弾性変調器５２と、ロックインアンプ５３とを備えている。
【０１４０】
ＰＤ５１は、光量検出手段であって、例えば、一般的なフォトダイオードから構成される。ＰＤ５１は、ビーム１およびビーム２が試料Ｆで反射した反射光のうち、ビーム２の強度を検出する。検出した反射光の光強度信号は、ロックインアンプ５３に入力される。
【０１４１】
光弾性変調器５２は、図１６に示すように、例えば、反射板９と試料Ｆとの間に配設される。光弾性変調器５２は、反射板９で反射して入射するビーム２を所定周波数で交互に左回り円偏光と右回り円偏光に切り替えて集光レンズ１０を介して試料Ｆに向けて出力する。これにより、出力ビームは円二色性を示すビームとなる。
【０１４２】
また、光弾性変調器５２は、この変調周波数の信号を参照信号としてロックインアンプ５３に入力する。なお、この変調周波数は、例えば、５０［ｋＨｚ］とすることができる。
【０１４３】
ロックインアンプ５３は、光弾性変調器５２から入力する参照信号を用いて、ＰＤ５１が検出する光強度信号から偏光成分を測定した結果をＭＯ信号として制御装置６に出力するものである。この場合、ＭＯ信号は、カー効果の代わりに、円二色性を介して観測されるが、ＭＯ信号は、第１実施形態と同様に定義することができる。
この磁気特性測定装置１Ｃによれば、偏光成分検出手段５Ｃを安価なＰＤ５１を用いて構成することができる。
【０１４４】
以上、各実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その趣旨を変えない範囲で様々に実施することができる。例えば、第４実施形態のように偏光成分検出手段５Ｃを備えている磁気特性測定装置において、面直磁場を印加できるように構成したり、試料Ｆを透過した透過光の偏光成分を検出したりするように構成することもできる。
【０１４５】
また、各実施形態では、ビームスプリッタ７で分離したビーム２を２つの反射板８，９によって反射して試料Ｆに導くようにしたが、本発明はこれに限定されるものではない。別の形態に係る磁気特性測定装置として、例えば図１に示す反射板９だけをハーフミラーに置き換え、このハーフミラーを、ビームスプリッタ７で分離したビーム１の光路上に移動して配設し、ビーム１とビーム２とが同一の光路から試料Ｆに到達するように構成してもよい。この場合、光遮蔽板１３を除去して、ビーム１とビーム２とを共に観測することで、各実施形態と同様の結果が得られる。なお、この形態の磁気特性測定装置は、図７のフローチャートのステップＳ４にて、ビーム２の代わりに２つのビーム光の偏光成分を検出する処理を行う。また、さらに別の形態として、光遮蔽板１３を残しておき、ビーム２の方を遮り、ビーム１だけを観測するように構成してもよい。この場合にも各実施形態と同様の結果が得られる。
【符号の説明】
【０１４６】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 磁気特性測定装置
２ レーザ光源
３ 光学系
４，４Ａ 外部磁場印加手段
５ 偏光検出器（偏光成分検出手段）
５Ｃ 偏光成分検出手段
５１ ＰＤ（光量検出手段）
５２ 光弾性変調器
５３ ロックインアンプ
６ 制御装置
７ ビームスプリッタ
８ 反射板
９ 反射板
１０ 集光レンズ
１１ 移動ステージ
１２，１２Ｂ 基板
２１ 第１共鳴条件取得部
２２ 外部磁場制御部
２３ レーザ光源制御部
２４ 移動ステージ制御部
２５ ＭＯ信号取得部
２６ ＭＯ信号蓄積部
２７ 第２共鳴条件取得部
２８ 異方性磁場算出部
２９ フィッティングデータ記憶部
３０ 減衰パラメータ算出部
Ｆ 試料
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の繰り返し周期のレーザ光を強磁性体の試料に照射することで、当該試料の有効内部磁場または異方性磁場を含む磁気特性を測定する磁気特性測定装置であって、
前記試料の磁化の歳差運動の周期に同期可能な繰り返し周期の連続した複数パルスのレーザ光を前記試料に照射するレーザ光源と、
前記試料に所定の磁場を印加する外部磁場印加手段と、
前記複数パルスのレーザ光を第１のビームおよび第２のビームに分離して第１のビームを前記試料に導く位置に配設されたビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで分離した第２のビームを反射する第１の反射板が配設された移動可能な移動ステージと、
前記第１の反射板で反射した第２のビームを反射して前記試料に導く位置に配設された第２の反射板と、
前記分離した各ビームが前記試料で反射した反射光、または、前記分離した各ビームが前記試料を透過した透過光を受光してその偏光成分を検出した磁気光学信号を出力する偏光成分検出手段と、
前記試料の磁化の歳差運動が前記パルスの繰り返し周期に同期したことを示す第１共鳴条件において前記試料に印加されていた外部磁場の情報を予め取得し、当該外部磁場を前記試料に印加し、かつ、前記分離した各パルスビームを前記試料に照射したときに、前記試料の磁化の歳差運動が前記連続した複数パルスに共鳴するときの前記移動ステージの位置を第２共鳴条件として取得し、前記外部磁場の大きさと、前記第２共鳴条件において検出した前記磁気光学信号および前記移動ステージの位置と、前記繰り返し周期との各情報を用いて、ＬＬＧ（Landau-Lifshitz-Gilbert）方程式に基づいて、前記試料の有効内部磁場または異方性磁場を算出する制御装置と、
を備えることを特徴とする磁気特性測定装置。
【請求項２】
所定の繰り返し周期のレーザ光を強磁性体の試料に照射することで、当該試料の有効内部磁場または異方性磁場を含む磁気特性を測定する磁気特性測定装置であって、
前記試料の磁化の歳差運動の周期に同期可能な繰り返し周期の連続した複数パルスのレーザ光を前記試料に照射するレーザ光源と、
前記試料に所定の磁場を印加する外部磁場印加手段と、
前記複数パルスのレーザ光を分離するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで分離した一方のビームを反射する反射板が配設された移動可能な移動ステージと、
前記一方のビームを透過して前記試料に導くと共に、前記反射板で反射した他方のビームを前記一方のビームと同じ光路へ反射するハーフミラーと、
前記分離した各ビームが前記試料で反射した反射光、または、前記分離した各ビームが前記試料を透過した透過光を受光してその偏光成分を検出した磁気光学信号を出力する偏光成分検出手段と、
前記試料の磁化の歳差運動が前記パルスの繰り返し周期に同期したことを示す第１共鳴条件において前記試料に印加されていた外部磁場の情報を予め取得し、当該外部磁場を前記試料に印加し、かつ、前記分離した各パルスビームを前記試料に照射したときに、前記試料の磁化の歳差運動が前記連続した複数パルスに共鳴するときの前記移動ステージの位置を第２共鳴条件として取得し、前記外部磁場の大きさと、前記第２共鳴条件において検出した前記磁気光学信号および前記移動ステージの位置と、前記繰り返し周期との各情報を用いて、ＬＬＧ（Landau-Lifshitz-Gilbert）方程式に基づいて、前記試料の有効内部磁場または異方性磁場を算出する制御装置と、
を備えることを特徴とする磁気特性測定装置。
【請求項３】
前記制御装置は、
前記第２共鳴条件として、前記レーザ光のパルスの繰り返し時間の時間間隔と前記ビームスプリッタで分離した２つのビームの遅延時間との比が自然数である場合の移動ステージの位置を用いて、前記試料の有効内部磁場または異方性磁場を算出する、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁気特性測定装置。
【請求項４】
前記制御装置は、
ＬＬＧ方程式による理論計算から予め求められた、前記試料の有効的な内部磁場に対して試料の磁気光学信号の絶対値が最小となるときの磁場範囲を、ＬＬＧ方程式に基づく理論モデルを用いてフィッティングすることで、当該試料の磁気特性として当該試料固有のダンピングファクタの値をさらに算出する、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の磁気特性測定装置。
【請求項５】
前記試料と前記レーザ光源との間に集光レンズをさらに備える、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の磁気特性測定装置。
【請求項６】
前記偏光成分検出手段は、
前記分離した各ビームが前記試料で反射した反射光、または、前記分離した各ビームが前記試料を透過した透過光の強度を検出する光量検出手段と、
前記レーザ光源から前記試料に照射されるパルス光の光路の途中に配置され、入射するパルス光を所定周波数で交互に左回り円偏光と右回り円偏光に切り替えて出力する光弾性変調器と、
前記光弾性変調器でパルス光を変調する前記周波数信号を参照信号として、前記光量検出手段が検出する光強度信号から前記偏光成分を測定した結果を前記磁気光学信号として前記制御装置に出力するロックインアンプとを備える、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の磁気特性測定装置。
【請求項７】
レーザ光源と、ビームスプリッタと、第１の反射板が設置された移動ステージと、第２の反射板またはハーフミラーと、外部磁場印加手段と、偏光成分検出手段と、制御装置とを備えると共に強磁性体の試料の有効内部磁場または異方性磁場を含む磁気特性を測定する磁気特性測定装置の磁気特性測定方法であって、
前記磁気特性測定装置は、
前記試料の磁化の歳差運動の周期を前記パルスの繰り返し周期に同期したことを示す第１共鳴条件において前記試料に印加されていた外部磁場の情報を予め取得し、前記試料の磁化の歳差運動が前記連続した複数パルスに共鳴するときの前記移動ステージの位置を第２共鳴条件として探索する第２共鳴条件探索段階と、
前記第２共鳴条件が探索されたときに、前記試料の有効内部磁場または異方性磁場を求める磁場算出段階とを実行し、
前記第２共鳴条件探索段階は、所定条件が成立するまで繰り返す一連の処理として、
前記外部磁場印加手段によって、前記取得した外部磁場を前記試料に印加する第１ステップと、
前記レーザ光源によって、前記試料の磁化の歳差運動の周期に同期可能な繰り返し周期の連続した複数パルスのレーザ光を出力し、前記ビームスプリッタと前記第１の反射板と、前記第２の反射板またはハーフミラーとを介して、前記出力された各パルスビームをそれぞれ分離して一方のビームよりも他方のビームを遅延させて前記試料に照射する第２ステップと、
前記偏光成分検出手段によって、前記分離した各ビームが前記試料で反射した反射光、または、前記分離した各ビームが前記試料を透過した透過光を受光して偏光成分を検出した磁気光学信号を出力する第３ステップと、
前記制御装置によって、
前記磁気光学信号の絶対値が最小となったか否かを判定することで前記所定条件が成立したか否かを判定する第４ステップと、
前記磁気光学信号の絶対値が最小となっていない場合に、前記移動ステージを移動させる第５ステップと、
前記磁気光学信号の絶対値が最小となった場合に、前記移動ステージの位置を前記第２共鳴条件として求める第６ステップとを含み、
前記磁場算出段階は、
前記制御装置によって、前記第２共鳴条件が求められたときに、当該第２共鳴条件において検出した前記磁気光学信号および前記移動ステージの位置と、前記取得した外部磁場の大きさと、前記繰り返し周期との各情報を用いて、ＬＬＧ方程式に基づいて、前記試料の有効内部磁場または異方性磁場を求める、
ことを特徴とする磁気特性測定方法。
【請求項１】
所定の繰り返し周期のレーザ光を強磁性体の試料に照射することで、当該試料の有効内部磁場または異方性磁場を含む磁気特性を測定する磁気特性測定装置であって、
前記試料の磁化の歳差運動の周期に同期可能な繰り返し周期の連続した複数パルスのレーザ光を前記試料に照射するレーザ光源と、
前記試料に所定の磁場を印加する外部磁場印加手段と、
前記複数パルスのレーザ光を第１のビームおよび第２のビームに分離して第１のビームを前記試料に導く位置に配設されたビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで分離した第２のビームを反射する第１の反射板が配設された移動可能な移動ステージと、
前記第１の反射板で反射した第２のビームを反射して前記試料に導く位置に配設された第２の反射板と、
前記分離した各ビームが前記試料で反射した反射光、または、前記分離した各ビームが前記試料を透過した透過光を受光してその偏光成分を検出した磁気光学信号を出力する偏光成分検出手段と、
前記試料の磁化の歳差運動が前記パルスの繰り返し周期に同期したことを示す第１共鳴条件において前記試料に印加されていた外部磁場の情報を予め取得し、当該外部磁場を前記試料に印加し、かつ、前記分離した各パルスビームを前記試料に照射したときに、前記試料の磁化の歳差運動が前記連続した複数パルスに共鳴するときの前記移動ステージの位置を第２共鳴条件として取得し、前記外部磁場の大きさと、前記第２共鳴条件において検出した前記磁気光学信号および前記移動ステージの位置と、前記繰り返し周期との各情報を用いて、ＬＬＧ（Landau-Lifshitz-Gilbert）方程式に基づいて、前記試料の有効内部磁場または異方性磁場を算出する制御装置と、
を備えることを特徴とする磁気特性測定装置。
【請求項２】
所定の繰り返し周期のレーザ光を強磁性体の試料に照射することで、当該試料の有効内部磁場または異方性磁場を含む磁気特性を測定する磁気特性測定装置であって、
前記試料の磁化の歳差運動の周期に同期可能な繰り返し周期の連続した複数パルスのレーザ光を前記試料に照射するレーザ光源と、
前記試料に所定の磁場を印加する外部磁場印加手段と、
前記複数パルスのレーザ光を分離するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで分離した一方のビームを反射する反射板が配設された移動可能な移動ステージと、
前記一方のビームを透過して前記試料に導くと共に、前記反射板で反射した他方のビームを前記一方のビームと同じ光路へ反射するハーフミラーと、
前記分離した各ビームが前記試料で反射した反射光、または、前記分離した各ビームが前記試料を透過した透過光を受光してその偏光成分を検出した磁気光学信号を出力する偏光成分検出手段と、
前記試料の磁化の歳差運動が前記パルスの繰り返し周期に同期したことを示す第１共鳴条件において前記試料に印加されていた外部磁場の情報を予め取得し、当該外部磁場を前記試料に印加し、かつ、前記分離した各パルスビームを前記試料に照射したときに、前記試料の磁化の歳差運動が前記連続した複数パルスに共鳴するときの前記移動ステージの位置を第２共鳴条件として取得し、前記外部磁場の大きさと、前記第２共鳴条件において検出した前記磁気光学信号および前記移動ステージの位置と、前記繰り返し周期との各情報を用いて、ＬＬＧ（Landau-Lifshitz-Gilbert）方程式に基づいて、前記試料の有効内部磁場または異方性磁場を算出する制御装置と、
を備えることを特徴とする磁気特性測定装置。
【請求項３】
前記制御装置は、
前記第２共鳴条件として、前記レーザ光のパルスの繰り返し時間の時間間隔と前記ビームスプリッタで分離した２つのビームの遅延時間との比が自然数である場合の移動ステージの位置を用いて、前記試料の有効内部磁場または異方性磁場を算出する、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁気特性測定装置。
【請求項４】
前記制御装置は、
ＬＬＧ方程式による理論計算から予め求められた、前記試料の有効的な内部磁場に対して試料の磁気光学信号の絶対値が最小となるときの磁場範囲を、ＬＬＧ方程式に基づく理論モデルを用いてフィッティングすることで、当該試料の磁気特性として当該試料固有のダンピングファクタの値をさらに算出する、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の磁気特性測定装置。
【請求項５】
前記試料と前記レーザ光源との間に集光レンズをさらに備える、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の磁気特性測定装置。
【請求項６】
前記偏光成分検出手段は、
前記分離した各ビームが前記試料で反射した反射光、または、前記分離した各ビームが前記試料を透過した透過光の強度を検出する光量検出手段と、
前記レーザ光源から前記試料に照射されるパルス光の光路の途中に配置され、入射するパルス光を所定周波数で交互に左回り円偏光と右回り円偏光に切り替えて出力する光弾性変調器と、
前記光弾性変調器でパルス光を変調する前記周波数信号を参照信号として、前記光量検出手段が検出する光強度信号から前記偏光成分を測定した結果を前記磁気光学信号として前記制御装置に出力するロックインアンプとを備える、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の磁気特性測定装置。
【請求項７】
レーザ光源と、ビームスプリッタと、第１の反射板が設置された移動ステージと、第２の反射板またはハーフミラーと、外部磁場印加手段と、偏光成分検出手段と、制御装置とを備えると共に強磁性体の試料の有効内部磁場または異方性磁場を含む磁気特性を測定する磁気特性測定装置の磁気特性測定方法であって、
前記磁気特性測定装置は、
前記試料の磁化の歳差運動の周期を前記パルスの繰り返し周期に同期したことを示す第１共鳴条件において前記試料に印加されていた外部磁場の情報を予め取得し、前記試料の磁化の歳差運動が前記連続した複数パルスに共鳴するときの前記移動ステージの位置を第２共鳴条件として探索する第２共鳴条件探索段階と、
前記第２共鳴条件が探索されたときに、前記試料の有効内部磁場または異方性磁場を求める磁場算出段階とを実行し、
前記第２共鳴条件探索段階は、所定条件が成立するまで繰り返す一連の処理として、
前記外部磁場印加手段によって、前記取得した外部磁場を前記試料に印加する第１ステップと、
前記レーザ光源によって、前記試料の磁化の歳差運動の周期に同期可能な繰り返し周期の連続した複数パルスのレーザ光を出力し、前記ビームスプリッタと前記第１の反射板と、前記第２の反射板またはハーフミラーとを介して、前記出力された各パルスビームをそれぞれ分離して一方のビームよりも他方のビームを遅延させて前記試料に照射する第２ステップと、
前記偏光成分検出手段によって、前記分離した各ビームが前記試料で反射した反射光、または、前記分離した各ビームが前記試料を透過した透過光を受光して偏光成分を検出した磁気光学信号を出力する第３ステップと、
前記制御装置によって、
前記磁気光学信号の絶対値が最小となったか否かを判定することで前記所定条件が成立したか否かを判定する第４ステップと、
前記磁気光学信号の絶対値が最小となっていない場合に、前記移動ステージを移動させる第５ステップと、
前記磁気光学信号の絶対値が最小となった場合に、前記移動ステージの位置を前記第２共鳴条件として求める第６ステップとを含み、
前記磁場算出段階は、
前記制御装置によって、前記第２共鳴条件が求められたときに、当該第２共鳴条件において検出した前記磁気光学信号および前記移動ステージの位置と、前記取得した外部磁場の大きさと、前記繰り返し周期との各情報を用いて、ＬＬＧ方程式に基づいて、前記試料の有効内部磁場または異方性磁場を求める、
ことを特徴とする磁気特性測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
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【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
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【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１１−３９００９（Ｐ２０１１−３９００９Ａ）
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８９４５７（Ｐ２００９−１８９４５７）
【出願日】平成２１年８月１８日（２００９．８．１８）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月１８日（２００９．８．１８）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
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