東北大ら,マグノン旋光性を示す磁性体を発見

東北大学,タイ マヒドン大学,米標準技術研究所からなる国際共同研究グループは,反強磁性体を伝わるスピン揺らぎの波(スピン波もしくはマグノン)の非相反性を明らかにした(ニュースリリース)。

近年,スピントロニクスの研究において,磁性体中を伝わるスピンの揺らぎの波(スピン波もしくはマグノン)を情報伝達に用いる試みが広く研究されている。しかしながら,これまでの研究はマグノン自体の伝搬方向制御に注目するものがほとんどで,マグノンが持つ「偏光角」の伝搬方向依存性に着目した研究はなかった。

今回研究グループは,反強磁性体中のマグノンに対して偏光角回転の伝搬方向依存性を世界で初めて観測した。ある種の物質を直線偏光が透過する際,その偏光角が回転することがある。これは旋光性として古くから知られており,物質中で右円偏光および左円偏光の速度に差があることから生じる。磁性体においては偏光角が磁場に依存することがファラデー効果として知られており,数々の光素子に使用されている。

同様の効果は反強磁性体中のスピン波(マグノン)に対しても考えることができる。反強磁性体では磁気モーメントがお互いに反対方向を向いて配列しているが,この2種類の磁気モーメントの向きに対応して2種類のマグノンが存在する。これらは光で例えると右円偏光および左円偏光に対応する。

通常の磁性体ではこの2種類のマグノンは同じ波長で同じ振動数を持つ。しかし,空間反転対称性を持たない磁性体ではこれらが異なる振動数を持つことが理論的に予想されていた。このことはマグノンの右円偏光状態と左円偏光状態の速度が異なることを意味するため,両者を合成した直線偏光マグノンにおいてはその偏光角が回転する。このようなマグノンに対する旋光性を直接観測した研究はこれまでなかった。

散乱を用いてマグノン分散関係を精密に測定した結果,マグノンの右円偏光状態と左円偏光状態の分散関係が大きく分裂していることを発見した。この結果は右円偏光状態および左円偏光状態のマグノンの速度に大きな違いがあることを示しており,マグノン旋光性を明確に確認した初めての例と言える。

実験結果は空間反転対称性の欠如の効果をジャロシンスキー・守谷相互作用として取り入れた線形スピン波計算結果と極めて良い一致を示したが,このことは空間反転対称性の欠如がマグノン旋光性の起源であることを如実に示している。

反転対称性の欠如は電気分極とも結びついているため,この効果は電場によるマグノン旋光性の制御の可能性,すなわちマグノンファラデー効果を示唆する。マグノンファラデー効果はマグノン電界効果トランジスタ等に応用できるとされており,今後の研究のさらなる発展が期待されるとしている。

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