光による磁気スイッチの新たな原理を発見 超低消費電力?超高速光磁気メモリなどの実現に期待

光による磁気スイッチの新たな原理を発見超低消費電力?超高速光磁気メモリなどの実現に期待

2022年8月24日 14:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇大学院理学研究科物理学専攻
教授　岩井伸一郎（いわいしんいちろう）

【発表のポイント】

量子揺らぎで各原子の电子スピンの向きが定まらない"量子スピン液体"物质において、スピンが交互に向いたまま冻结した"スピンの固体"である反强磁性体や弱强磁性体^（注1）と同様に、光照射による逆ファラデー効果で磁化が生じることを発见した。
量子スピン液体の光照射による逆ファラデー効果の大きさは典型的な反强磁性体（酸化ニッケル）の20倍にも达した。
光磁化の発生机构は、従来の反强磁性体（电子スピンの配列によって磁化が発生）とは异なり、d电子^（注2）の轨道角运动量が重要な役割を果たすと考えられる。この机构ではスピンを反転する必要がないため、より高速な応答が室温近傍でも期待される。

【概要】

逆ファラデー効果は、光による磁化の発生や高速制御の原理として知られています。この効果は、次世代の光磁気メモリなどに応用できると期待され、各国で研究が进められています。しかし、その対象物质は、おもにスピンの方向が固定された反强磁性体や弱强磁性体などに限られおり、スピンの向きを変えるために比较的高いエネルギーが必要で、スピンの向きが変わる速度が低いことが问题でした。

东北大学大学院理学研究科の岩井伸一郎教授、天野辰哉特任研究员、大串研也教授、今井良宗准教授、若林裕助教授、中央大学理工学部の米満贤治教授、名古屋大学大学院工学研究科の岸田英夫教授らの研究グループは、磁気秩序を持たないキタエフ量子スピン液体物质（α-搁耻颁濒3）に光（円偏光）パルスを照射した瞬间、図1のように磁化が発生することを発见しました（図１）。発生した磁化の大きさは、典型的な反强磁性体の20倍にも达します。また、これまで反强磁性体などで提案されてきた机构よりも约一桁高速な磁化の制御が期待できます。

この成果は米国物理学会の学術誌「Phys. Rev. Research (Letter)」に2022年8月19日にオンライン掲載されました。

図1　キタエフ量子スピン液体における光磁気効果の模式図。??: 光子エネルギー、M: 光磁化、h⁺: 正孔。それぞれのルテニウム原子（六角形の頂点）に３つあるd軌道（d_yz、诲_xz、诲_xy）を、ある順序（右回りと左回り円偏光とでは逆）で正孔（电子の抜け殻、h⁺）が移动していくことで、正孔を一定の方向に回す（轨道角运动量を生む）ことになり、大きな光磁化を生む。

【用语解説】

（注1）反强磁性体、弱强磁性体
反强磁性体は、局所的（原子や単位格子内）には磁気モーメントを持ちますが、结晶全体としてはそれらが打ち消し合って自発磁化を持ちません。これらの物质は、高温で（热揺らぎによって）磁気モーメントを失いますが、その温度はネール温度（T_N）と呼ばれます。反强磁性体としてよく知られている物质には、Cr₂O₃、MnO、Fe₂O₃、NiOなどがあります。反强磁性体は、磁気ヘッドの要素部品となるスピンバルブに不可欠な材料です。また、弱强磁性体では、局所的な磁気モーメントが完全には打ち消し合わず、弱い磁化が残ります。弱强磁性体としてはDyFeO₃, HoFeO₃, TmFeO₃などが知られています。

（注2）d电子
原子のd轨道は、轨道角运动量の量子数（方位量子数）が2の轨道であり、s轨道やp轨道に比べ、図1に示すような复雑な异方性を持っています。原子のd轨道は、5重に缩退（波动関数の形が异なるがエネルギーは同一であること）していますが、结晶中ではしばしば、周りの原子の影响によって轨道のエネルギーが変化し、缩退が解けます。ルビーやエメラルドなど迁移金属を含む宝石の色は、この轨道エネルギーの変化によって分裂したd轨道间の光吸収によるものです。