東大ら,光によるスピン流の整流効果を発見

東京大学と茨城大学は,反転対称性の破れた磁性絶縁体(電気を流さない磁石)にギガヘルツ帯からテラヘルツ帯の電磁波を当てることで,スピン流の整流効果(特定の方向に流れを起こす現象)が生じることを理論的に明らかにした(ニュースリリース)。

光を電流に変換する現象については太陽電池以外にも多くの研究があり,ペロブスカイト酸化物などの遷移金属化合物の中には,半導体以外にも磁性体(磁石)など多様な性質を示すものがある。これらの物質中では,電子以外に磁石の性質をもつ粒子(マグノンやスピノン)など多彩な粒子が発現する。

こうした粒子については,スピントロニクスなどの次世代のエレクトロニクスへの応用が期待されていることから,光を使ったマグノンやスピノンの生成および消滅方法などが研究されてきた。しかしマグノンやスピノンの流れであるスピン流を光によって特定の方向へ流す(整流する)方法は,これまで知られていなかった。

今回の研究では,多彩な磁石の中で,空間反転対称性の破れた遷移金属化合物の磁性体を記述する量子スピン鎖という理論模型に着目した。この模型では磁気モーメントをもつ粒子のスピノンが現れる。

研究グループは,この模型の光照射時の振る舞いを理論的に調べるために,物質の電磁波に対する応答を研究する際に広く用いられている線形応答理論を拡張し,光による直流スピン流の整流現象を調べた。

その結果,ギガヘルツからテラヘルツ領域の周波数をもつ光を照射することで,スピノンが特定の方向に流れ,直流スピン流の整流効果が生じることを発見した。この整流効果は,照射光の偏光方向と磁石の磁気モーメントを平行にした縦型の直線偏光で生じる現象で,特別に光の偏光を調整する必要がない。この点において,今回の整流現象は太陽電池のスピン流版ともいえるという。

今回の研究では,複数種の磁性体と光の結合の仕方が整流効果に与える影響も調べた。磁性体中の磁気モーメントはさまざまな形で光と相互作用する。代表的な相互作用について整流効果を調べた結果,全ての相互作用で整流効果がみられることなどの特徴を明らかにした。これらは,半導体の光起電効果と大きく異なる性質という。

研究グループは,この新しいスピン流生成法は,情報技術の重要な2つの要素である光と磁気との間の直接的な情報変換が可能であることを意味し,光磁気技術に新しい展開をもたらす可能性があるとしている。

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