2024-12-18 カリフォルニア工科大学（Caltech）
マサチューセッツ工科大学（MIT）の物理学者たちは、テラヘルツレーザーを用いて、光のみで物質を磁化する新たな技術を開発しました。この手法により、従来は制御が難しかった反強磁性材料の磁気状態を、外部磁場を使用せずに変化させることが可能となります。特に注目すべきは、この光誘起の磁気状態がレーザー照射後も数ミリ秒以上持続する点で、これは従来のピコ秒（1兆分の1秒）程度の持続時間を大幅に上回ります。この技術は、より高速で小型、かつ省エネルギーなメモリーチップの設計に寄与する可能性があります。
◆反強磁性材料は、隣接する原子のスピンが互いに反対方向を向く特性を持ち、外部からの制御が難しいとされてきました。しかし、研究チームはテラヘルツレーザーの振動を用いて、これらの原子を直接刺激し、磁気状態を制御することに成功しました。この発見は、将来的にスピントロニクスや量子コンピューティングなどの分野での応用が期待されます。研究の詳細は、2024年12月18日に発行された『Nature』誌に掲載されています。
＜関連情報＞
- https://news.mit.edu/2024/physicists-magnetize-material-using-light-1218
- https://www.nature.com/articles/s41586-024-08226-x
FePS3における臨界近傍でのテラヘルツ磁場誘起準安定磁化 Terahertz field-induced metastable magnetization near criticality in FePS3
Batyr Ilyas,Tianchuang Luo,Alexander von Hoegen,Emil Viñas Boström,Zhuquan Zhang,Jaena Park,Junghyun Kim,Je-Geun Park,Keith A. Nelson,Angel Rubio & Nuh Gedik
Nature Published:18 December 2024
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-024-08226-x
Abstract
Controlling the functional properties of quantum materials with light has emerged as a frontier of condensed-matter physics, leading to the discovery of various light-induced phases of matter, such as superconductivity1, ferroelectricity2,3, magnetism4,5,6 and charge density waves7. However, in most cases, the photoinduced phases return to equilibrium on ultrafast timescales after the light is turned off, limiting their practical applications. Here we use intense terahertz pulses to induce a metastable magnetization with a remarkably long lifetime of more than 2.5 milliseconds in the van der Waals antiferromagnet FePS3. The metastable state becomes increasingly robust as the temperature approaches the antiferromagnetic transition point, suggesting that critical order parameter fluctuations play an important part in facilitating the extended lifetime. By combining first-principles calculations with classical Monte Carlo and spin dynamics simulations, we find that the displacement of a specific phonon mode modulates the exchange couplings in a manner that favours a ground state with finite magnetization near the Néel temperature. This analysis also clarifies how the critical fluctuations of the dominant antiferromagnetic order can amplify both the magnitude and the lifetime of the new magnetic state. Our discovery demonstrates the efficient manipulation of the magnetic ground state in layered magnets through non-thermal pathways using terahertz light and establishes regions near critical points with enhanced order parameter fluctuations as promising areas to search for metastable hidden quantum states.
