東北大学は、金属磁石に強い光をあてることで、すべての電子のスピンが同じ向きに揃った配列から互い違いに逆向きの配列となり、瞬時に磁石としての性質を失うことを理論計算シミュレーションにより示すことを成功したと発表した。

光をあてることで平行なスピン配列を反平行に変えるイメージ図 (出所:東北大学Webサイト)

同成果は、東北大大学院理学研究科物理学専攻の石原純夫 教授らの研究グループによるもの。詳細は米国の学術誌「Physics Review Letters」に掲載された。

磁石では、電子の「スピン」と呼ばれる小さな磁石がすべて同じ向きに配列することで、全体として磁石の働きが現れる。近年、このスピンをエレクトロニクスに利用する研究が盛んとなっているが、スピンを効率よく素早く操作することが大容量の情報を高速に取り扱うために重要であり、その原理を明らかにすることが求められていた。そして、最近のレーザー技術を用いることで短い時間でこれを操作できる可能性が出てきた。これまでの研究により、スピンが互い違いに並んだ絶縁体に光を当てると、すべて同じ向きに揃った金属になることが判明していた。

今回の研究では、その反対の操作が可能であることが示された。つまり、電子スピンがすべて同じ向きに揃った金属に強い光を当てると、互い違いに逆向きとなり、瞬時に磁石としての性質を失うことを理論計算シミュレーションにより示すことに成功したという。

磁石においてすべてのスピンが同じ向きに揃うのは、平行にする力がスピンの間に働くためだ。今回の計算では、レーザーを当てることで、スピンを互いに平行にする力が反平行にする力に転換したことを意味している。磁石の性質を担っている「スピンを平行にする力」は1950年代に発見され、それ以来半世紀以上にわたって多くの磁石の現象がこの力の原理に基づいて理解されてきた。同研究により発見以来初めて、強い光をあてることでこの力が正反対の性質を示すことが明らかにされた。また、この現象がおよそ100-1000fsという高速で起きること、またスピン配列のトポロジーが重要な役割を果たしていることも計算により明らかにされた。

なお、研究グループは、従来の研究により判明していた反平行から平行にする機構と併用することで、スピンの配列を双方向に高速に操作することが可能となることが期待されるとしている。