反強磁性体におけるマグノン偏光の非相反性 - スピントロニクス素子へ応用期待

東北大学は、反強磁性体を伝わるスピン揺らぎの波(スピン波もしくはマグノン)の非相反性を明らかにしたと発表した。今回得られた知見により、今後、マグノン電界効果トランジスタなどの新奇なスピントロニクス素子への応用が期待されるという。

同成果は、マヒドン大学のMatanグループ、米国標準技術研究所のYangグループおよび東北大学 多元物質科学研究所の佐藤卓氏グループからなる国際共同研究チームによるもの。詳細は、米国物理学会誌「Physical Review Letters」(オンライン版)に掲載された。

観測された反強磁性非相反マグノンの模式図 (出所:東北大学webサイト)

近年、電子の持つ電荷の自由度だけではなくスピンの自由度を利用する新しいエレクトロニクス(スピントロニクス)の研究が活発に行われている。なかでも、磁性体中を伝わるスピンの揺らぎの波(スピン波もしくはマグノン)を情報伝達に用いる試みは広く研究されている。しかし、これまでの研究はマグノン自体の伝搬方向制御に注目するものがほとんどで、マグノンが持つ「偏光角」の伝搬方向依存性に着目した研究は未だなされていなかった。

ある種の物質を直線偏光が透過する際、その偏光角が回転することがある。これは旋光性として古くから知られている効果だ。この効果は、物質中で右円偏光および左円偏光の速度に差があることから生じる。磁性体においては偏光角が磁場に依存することがファラデー効果として知られている、この効果は数々の光素子に使用されている。

同様の効果は反強磁性体中のスピン波(マグノン)に対しても考えることができ。反強磁性体では磁気モーメントがお互いに反対方向を向いて配列しているが、この2種類の磁気モーメントの向きに対応して2種類のマグノンが存在する。これらは光で例えると右円偏光および左円偏光に対応する。通常の磁性体ではこの2種類のマグノンは同じ波長で同じ振動数を持つ。

(上段)強磁性体の磁気モーメント配置(下段)反強磁性体の磁気モーメント配置 (出所:東北大学webサイト)

反強磁性体における同じ波長をもつ2種類のマグノン。黄色い矢印は時間進行に伴うスピンの回転方向 (出所:東北大学webサイト)

しかし、空間反転対称性を持たない磁性体ではこれらが異なる振動数を持つことが理論的に予想されていた。このことはマグノンの右円偏光状態と左円偏光状態の速度が異なることを意味するため、両者を合成した直線偏光マグノンにおいてはその偏光角が回転する。このようなマグノンに対する旋光性を直接観測した研究はこれまでなかった。

2種類のマグノンを合成して得られる直線偏光マグノンの振る舞い。マグノン伝搬に伴い偏光角が回転している (出所:東北大学webサイト)

今回、同研究グループは銅バナジウム酸化物(α-Cu2V2O7)の反強磁性相において中性子非弾性散乱を用いてマグノン分散関係を精密に測定した。その結果、下図に見られるように、マグノンの右円偏光状態と左円偏光状態の分散関係が大きく分裂していることを発見した。この結果は右円偏光状態および左円偏光状態のマグノンの速度に大きな違いがあることを示している。また、これは空間反転対称性の欠如の効果をジャロシンスキー・守谷相互作用として取り入れた線形スピン波計算結果と一致し、空間反転対称性の欠如がマグノン旋光性の起源であることを示している。

(左)実験で観測されたα-Cu2V2O7 のマグノン分散関係。(右)空間反転対称性が欠如した場合に予想されるマグノン分散関係 (出所:東北大学webサイト)

同研究グループは、「反転対称性の欠如は電気分極とも結びついているため、同効果は電場によるマグノン旋光性の制御の可能性、すなわちマグノンファラデー効果を示唆する。これは、マグノン電界効果トランジスタなどに応用できるとされており、今後の研究のさらなる発展が期待される」とコメントしている。



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