東大など、量子磁性体のスピン波の寿命を磁場で制御することに成功

東京大学(東大)、高エネルギー加速器研究機構(KEK)、J-PARCセンターの3者は1月12日、量子磁性体「RbFeCl₃」のスピン波の寿命を磁場により制御することに成功したと共同で発表した。

磁場でスピン波寿命が制御されるイメージ(出所:KEKプレスリリースPDF)

同成果は、東大物性研究所(物性研)/東大大学院新領域創成科学研究科の長谷川舜介大学院生(研究当時)、同・菊地帆高大学院生(研究当時)、東大物性研/KEK/東大トランススケール量子科学国際連携研究機構の益田隆嗣准教授、KEK 物質構造科学研究所の伊藤晋一教授らの共同研究チームによるもの。詳細は、英オンライン科学誌「Nature Communications」に掲載された。

数多くのスピンの集団運動を波として捉えるスピン波は、スピン流を運ぶ準粒子の1つとして扱われ、これらは絶縁体でも存在するエネルギー損失のない流れとして注目されている。量子磁性体におけるスピンの運動状態はスピン波、あるいはそれを量子化した「マグノン」によって理解される。これらを調べることは、スピン間の相互作用の強さがわかり、量子磁性体の基本的性質をミクロなレベルで理解できるという。

物質中のスピン波は、周囲から強い抵抗を受ける環境下においては徐々に弱くなる。これまで、個々の物質におけるスピン波の安定性についての研究は数多く行われてきたが、1つの物質においてスピン波の安定性を外部から制御する試みは行われてこなかったとする。そこで研究チームは今回、ルビジウムと鉄と塩素から成るRbFeCl₃のスピン波をさまざまな磁場下で測定したという。

磁性体で散乱された中性子の運動を分析すること(＝スペクトルを解析すること)で、磁性体内部のスピンの運動状態を調べることが可能なため、中性子散乱はスピン波やマグノンの観測に効果的だ。またスペクトル輝線(モード)のシャープさの測定で、運動状態の寿命を見積もることができる。モードがシャープなら長時間そのエネルギーでスピン波が運動し続け、逆にブロードなら短時間でエネルギーが散逸しスピン波は消えてしまうことを意味する。

今回の研究では、まず横軸に波数、縦軸にエネルギーを取り、さまざまな磁場下で測定されたRbFeCl₃の中性子スペクトルがグラフ化された。0Tで1本だったモードが1Tで分裂し、2Tまでは明瞭に観測されている。しかし3Tでは、本来モードが存在するであろう2ミリ電子ボルト(meV)近傍でモードは非常にブロードとなり、スピン波は不安定化し寿命が短くなる。さらに4Tに印加すると、ブロードな強度の下にシャープなモードが出現し、5Tではそれがより明瞭になり、寿命が長くなる。このように、磁場印加によりスピン波の寿命を制御することが実現された。5Tの2meV近傍のモードの形状は、低磁場から推察すると、もう少し曲率の小さい曲線になりそうなことが予想されたが、実際には曲率が大きくほぼフラットな曲線となっており、またエネルギー的に下に押し下げられているようにも見えるという。

スピン波の寿命が磁場で制御された理由は、水中の調和振動子にたとえれば、水の粘性抵抗が振動の減衰の原因だ。スピン波では水に相当するものが「2マグノン連続励起」で、それとスピン波の相互作用が粘性抵抗になる。この相互作用が弱い場合は、モードは連続励起の中で不安定化すること、また連続励起の状態密度が大きいとより不安定化しやすい。また、相互作用が強い場合には、モードが2マグノン連続励起領域から押し出されて安定化するという。

そこで、RbFeCl₃の磁場下2マグノン連続励起の状態密度が、相互作用を無視した場合についての計算が行われた。モードと連続励起の関係は、0T(テスラ)では離れているが、磁場を印加していくとわずかに近づいていく。モードのエネルギーにおける2マグノン状態密度が高くなっており、これによりスピン波は不安定化していることが考えられるという。

次に、スピン波と2マグノン連続励起の相互作用を磁場に対してプロットしたところ、単調増加していることが判明。さらに、スピン波のエネルギーの計算値と実測値の差が、磁場に対してプロットされたところ、2Tまでは計算値と実測値は一致するが、3T以上では実測値が計算値よりも小さくなっていることが確認された。このことから、磁場増大によりスピン波と連続励起の相互作用が徐々に大きくなり、3T以上で臨界値を超えることでスピン波のエネルギーは下に押し下げられ、これに伴いスピン波の寿命が延びたと考えられるとする。