マルチフェロイクスへのレーザー照射による スピン流生成・制御方法についての新理論を構築―理学部・佐藤正寛准教授ら

 茨城大学理学部の佐藤 正寛 准教授、ジュネーブ大学(スイス)の高吉 慎太郎 博士、マックスプランク研究所(ドイツ)の岡 隆史 博士(同研究所グループリーダー)の研究グループは、強誘電性と強磁性を同時に有するマルチフェロイック磁性体にレーザーを照射し、ピコ(10-12)秒という超高速の早さでスピン秩序をひねる方法を理論的に提案しました。それによって得られるスパイラル状態を使うことで、スピン流を誘起することができます。
 スピン流は、次世代電子技術の有望な分野として注目されているスピントロニクスにおける最も重要な概念のひとつです。本研究の予言は、スピン流の新たな生成方法を提案するものとして、今後の実験等による研究が期待されます。
 今回の成果は、Physical Review Lettersのオンライン版に、2016年9月28日に掲載されました。

詳しくは資料(PDFファイル)をご覧ください。
【資料】マルチフェロイクス(強誘電磁性体)へのレーザー照射による スピン流生成・制御方法についての新理論を構築

 固体結晶の巨視的な性質は、一般にその中に含まれる莫大な数の電子が担っています。例えば、固体中の電子が微小な電場で流れやすい状況にあればその固体は金属であり、逆に何らかの理由で電場を印加しても電子が流れにくい場合は絶縁体となります。また、絶縁体についても、多様な性質に応じてそれらを分類することが出来ます。
 電子の重要な属性として、電荷とスピン(電子自体がN極とS極をもつ磁石の性質を持っており、それをスピンと呼ぶ)があります。絶縁体の中で、電場を印加すると負電荷をもつ電子が正電荷のイオンの位置からずれやすい(電気分極が発生する)物質は、誘電体と呼ばれます。一方、磁場の印加により、電子スピンが協調して応答する物質を磁性体と呼びます。
 それに対し、近年、誘電体と磁性体の性質を同時に有する物質群が注目されており、複数(マルチ)個の強い(フェロ)秩序を有することから「マルチフェロイクス」と呼ばれ、その豊かな物性が精力的に研究されています。標準的な誘電体や磁性体がそれぞれ電場と磁場にのみ応答するのに対して、磁性と誘電性が強く結合しているマルチフェロイクスにおいては、電場と磁場の両方でその磁性を制御することが可能です。これは電場と磁場の両方の成分をもつレーザーに対して特別な応答を示すことを示唆します。研究グループでは、この誘電性と磁性の絡み合いに着目し、スピンカイラリティ機構を持つマルチフェロイクス群に、テラヘルツ領域の円偏光レーザーを照射することで、ジャロシンスキー守谷相互作用(DM相互作用)を誘導できることを理論的に明らかにしました。磁性体では通常隣接する電子スピンの向き(N極からS極に向かう矢印)が平行に揃う傾向が強いのに対し、DM相互作用は、隣接電子スピン間の角度をひねらせようとします。磁性体の中のDM相互作用の大きさは磁性体の微視的な性質で決定されており通常変化させることはできませんが、研究グループの予言では、レーザー照射によりマルチフェロイクスのスピン秩序をひねらせることが出来ることを示唆しています。
 スピン秩序をひねらせることは、スピン流の生成と密接に結びついています。スピン流は、近年精力的に研究が進められているスピントロニクスにおける最も重要な概念のひとつであり、エレクトロニクスの主役である電流に代わる新しい情報伝達の担い手として、多様なスピン流生成方法が探求されています。本研究の予言は新しいスピン流生成方法の提案と解釈することもできます。

発表論文の情報

<論文タイトル>
Laser-Driven Multiferroics and Ultrafast Spin Current Generation

<著者名>
Masahiro Sato, Shintaro Takayoshi, and Takashi Oka

<雑誌名>
Physical Review Letters

<掲載日>
2016年9月28日オンライン掲載

(2016年9月29日)