2024-10-28 京都大学
廣理英基 化学研究所准教授、章振亜 同博士研究員、金光義彦 同特任教授、丸山慶 同修士課程学生（研究当時）、佐藤正寬 千葉大学教授、金賀穂 同博士課程学生、中嶋誠 大阪大学准教授、栗原貴之 東京大学助教、立崎武弘 東海大学講師らの研究グループは、物質内部でテラヘルツ（THz）波の磁場強度を増強させ、スピンの方向を約1兆分の1秒の時間内に変化させる方法を発見しました。近年、THz周波数帯にスピン歳差運動を持つ反強磁性体は、強磁性体よりも高速なスピンデバイスへの応用が期待されており、そのスピンダイナミクスは精力的に研究されています。しかし、従来の可視光やTHz波によるスピンの励起手法では長寿命の加熱効果が生じるため、高速なスピン制御が困難でした。本研究では、反強磁性体Sm0.7Er0.3FeO3表面に作製した金属メタマテリアル構造を利用して1テスラを超えるTHz磁場を印加すると、瞬間的に反強磁性体のスピンの方向を変化させられることを発見しました。そして、THz磁場によりスピンが受ける磁気的エネルギーの時間周期的な変調効果が、高速スピンスイッチングの駆動力であることを明らかにしました。今回の成果は、光による物性制御に関する理解を深化させ、高速な磁気デバイスや光デバイス開発に向けた基盤技術となることが期待されます。
本研究成果は、2024年10月25日に、国際学術誌「Nature Materials」にオンライン掲載されました。
THz波の照射により磁気的エネルギーが変調し、それを駆動力としてスピンの方向が変化する様子を示す概念図
研究者のコメント
「近年、光による物性制御の新たな手法として、レーザーなどの周期的電場を印加して生じる電子状態（フロッケ状態とも呼ばれる）を活用する方法（フロッケエンジニアリング）が注目を集めています。今回の周期的なTHz磁場パルスによる磁性制御の実証は、フロッケエンジニアリングの可能性をさらに広げるものであり、今後磁気的フロッケ状態のさらなる検証を行い、新たな光磁気デバイス開発にもつながることを期待しています。」（廣理英基）
詳しい研究内容について
非熱的な超高速スピンスイッチング動作の発見―光による物性制御の新原理―
研究者情報
研究者名：廣理 英基
研究者名：金光 義彦
書誌情報
【DOI】https://doi.org/10.1038/s41563-024-02034-4
【書誌情報】
Zhenya Zhang, Minoru Kanega, Kei Maruyama, Takayuki Kurihara, Makoto Nakajima, Takehiro Tachizaki, Masahiro Sato, Yoshihiko Kanemitsu, Hideki Hirori (2024). Spin switching in Sm0.7Er0.3FeO3 triggered by terahertz magnetic-field pulses. Nature Materials.
