光で反強磁性体の情報書き換えに成功 -光の運動量により磁気情報を記録する新原理を実証-

2026-05-20 理化学研究所

理化学研究所などの国際共同研究グループは、反強磁性体LiNiPO4において、光の「偏光」ではなく「運動量」を利用して磁気情報を書き換えることに世界で初めて成功した。研究では、通信波長帯の赤外レーザーを試料に照射し、光の進行方向を変えるだけで反強磁性ドメインを選択的に形成・切り替えできることを実証した。従来の全光磁気制御では円偏光や外部磁場が必要だったが、本研究では光の進行方向そのものが制御パラメータとなり、偏光状態には依存しない新原理を示した。さらに、レーザー走査により任意形状のドメインを書き込み、弱い光による光ダイオード効果を利用して読み出すことにも成功した。これにより、電場・磁場を用いず、光のみで「書き込み・保持・読み出し」を行う全光学的反強磁性メモリ動作が実現された。成果は、低消費電力・高速動作を可能にする次世代光磁気メモリやオールオプティカルネットワークへの応用が期待される。

光で反強磁性体の情報書き換えに成功 -光の運動量により磁気情報を記録する新原理を実証-

図1 反強磁性体LiNiPO4の2種のドメインと光入射の反転による磁気状態の制御

<関連情報>

逆光磁気電気効果による反強磁性ドメインの全光制御 All-optical control of antiferromagnetic domains via an inverse optical magnetoelectric effect

S. Toyoda,V. Kocsis,Y. Tokunaga,I. Kézsmárki,Y. Taguchi,T. Arima,Y. Tokura & N. Ogawa
Nature Materials  Published:15 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41563-026-02608-4

Abstract

All-optical control of antiferromagnetic order is essential for realizing next-generation energy-efficient spintronic and high-speed memory applications. However, the optical writing of antiferromagnetic domains remains a fundamental challenge, because conventional opto-magnetic recording techniques rely on net magnetization, which is absent in antiferromagnets. In certain multiferroic antiferromagnets, the magnetic toroidal moment provides an additional degree of freedom through its inherent magnetoelectric coupling, which manifests as directional asymmetry in light propagation. Here we demonstrate the all-optical writing of antiferromagnetic domains using the inverse optical magnetoelectric effect in ferrotoroidic LiNiPO4, driven solely by reversing the light propagation direction. This directional control arises from a strong coupling between the photon linear momentum and the magnetic toroidal moment, enabling non-volatile, deterministic and repeatable switching between time-reversed domains with arbitrary light polarization. Our findings establish an inverse optical magnetoelectric effect as a distinct mechanism for manipulating antiferromagnetic order, opening a new paradigm in opto-magnetism driven by photon momentum.

1701物理及び化学
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