東北大,光パルスで磁気秩序の超高速制御に成功

東北大学の研究グループは,光パルスの照射により磁性体の磁気秩序を超高速で制御することに成功した(ニュースリリース)。

スピントロニクスの分野では,半導体の持つ電気的な性質と磁性材料が持つ磁石の性質を併せ持った物質である「磁性半導体」が次世代スピン機能物質の有力候補として注目を集めている。磁性半導体の特徴は,磁気的性質が電気的・光学的性質にも影響を及ぼすため,磁気的性質を自由に高速で制御することが画期的な機能の実現に向けて重要となる。

今回,研究グループは,EuOという強磁性半導体が,電気伝導を担うキャリア(ここでは電子)の密度に応じて磁気相互作用を大きく変化させる点に着目した。EuOに不純物(今の場合は Gd)をドープすることによりキャリア密度を増加させると,強磁性転移温度(キュリー温度)が上昇する。

強磁性転移温度はスピン間の相互作用(磁気相互作用)の大きさに関係しており,このためキャリア密度を変化させることにより磁気相互作用の大きさや,その結果として電気的・光学的性質を変化させることができる。もし何らかの方法で瞬時にキャリア密度を変化させることができれば,高速の磁気変調デバイスやそれを利用したスピントロニクスデバイスへの応用が期待される。

研究では,約100フェムト秒の短い光パルスを用いることでEuOに瞬間的にキャリアを導入し,超高速で磁気相互作用を制御できるかを検証するために,ポンプ・プローブ非線形磁気光学分光を用いて光パルス照射後の磁気秩序の変化を測定した。実験では,Gd濃度(キャリア密度)の異なるいくつかの試料を作製し,光パルスの照射がキャリア密度や磁気相互作用 にどのような影響を与えるかを系統的に調べた。

その結果,Gd濃度が低い(キャリア密度が低い)試料では光パルスの照射が磁気相互作用を強め,光照射によるキャリア密度の増加が磁気相互作用を強めるという予想と合致した結果が得られ,逆に,Gd濃度が高い(キャリア密度が高い)試料では光パルスの照射が磁気相互作用を弱めるという結果が得られた。

この結果は,キャリア密度を精密に制御することにより,磁気相互作用を意図的に増強することも減少させることもできることを示唆している。さらに,いずれの場合においても,磁気秩序の変化は1ピコ秒程度の非常に早い時間で起こることが明らかになった。

この時間は,現在ハードディスクなどで磁気を制御する際に必要な時間よりも3桁程度早く,超短光パルスを利用することで従来の操作速度を大幅に短縮できることが期待される。今回得られた結果は,理論的な考察によりそのメカニズムが解明され,今後,光による超高速磁気制御を実現するための物質設計や材料開発に向け新たな指針を与えるものだとしている。

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