【本学研究者情報】

〇大学院理学研究科物理学専攻
教授　岩井伸一郎（いわいしんいちろう）
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【発表のポイント】

• 量子揺らぎで各原子の電子スピンの向きが定まらない"量子スピン液体"物質において、スピンが交互に向いたまま凍結した"スピンの固体"である反強磁性体や弱強磁性体^（注1）と同様に、光照射による逆ファラデー効果で磁化が生じることを発見した。
• 量子スピン液体の光照射による逆ファラデー効果の大きさは典型的な反強磁性体（酸化ニッケル）の20倍にも達した。
• 光磁化の発生機構は、従来の反強磁性体（電子スピンの配列によって磁化が発生）とは異なり、d電子^（注2）の軌道角運動量が重要な役割を果たすと考えられる。この機構ではスピンを反転する必要がないため、より高速な応答が室温近傍でも期待される。

【概要】

逆ファラデー効果は、光による磁化の発生や高速制御の原理として知られています。この効果は、次世代の光磁気メモリなどに応用できると期待され、各国で研究が進められています。しかし、その対象物質は、おもにスピンの方向が固定された反強磁性体や弱強磁性体などに限られおり、スピンの向きを変えるために比較的高いエネルギーが必要で、スピンの向きが変わる速度が低いことが問題でした。

東北大学大学院理学研究科の岩井伸一郎教授、天野辰哉特任研究員、大串研也教授、今井良宗准教授、若林裕助教授、中央大学理工学部の米満賢治教授、名古屋大学大学院工学研究科の岸田英夫教授らの研究グループは、磁気秩序を持たないキタエフ量子スピン液体物質（α-RuCl3）に光（円偏光）パルスを照射した瞬間、図1のように磁化が発生することを発見しました（図１）。発生した磁化の大きさは、典型的な反強磁性体の20倍にも達します。また、これまで反強磁性体などで提案されてきた機構よりも約一桁高速な磁化の制御が期待できます。

この成果は米国物理学会の学術誌「Phys. Rev. Research (Letter)」に2022年8月19日にオンライン掲載されました。

【用語解説】

（注1）反強磁性体、弱強磁性体
反強磁性体は、局所的（原子や単位格子内）には磁気モーメントを持ちますが、結晶全体としてはそれらが打ち消し合って自発磁化を持ちません。これらの物質は、高温で（熱揺らぎによって）磁気モーメントを失いますが、その温度はネール温度（T_N）と呼ばれます。反強磁性体としてよく知られている物質には、Cr₂O₃、MnO、Fe₂O₃、NiOなどがあります。反強磁性体は、磁気ヘッドの要素部品となるスピンバルブに不可欠な材料です。また、弱強磁性体では、局所的な磁気モーメントが完全には打ち消し合わず、弱い磁化が残ります。弱強磁性体としてはDyFeO₃, HoFeO₃, TmFeO₃などが知られています。

（注2）d電子
原子のd軌道は、軌道角運動量の量子数（方位量子数）が2の軌道であり、s軌道やp軌道に比べ、図1に示すような複雑な異方性を持っています。原子のd軌道は、5重に縮退（波動関数の形が異なるがエネルギーは同一であること）していますが、結晶中ではしばしば、周りの原子の影響によって軌道のエネルギーが変化し、縮退が解けます。ルビーやエメラルドなど遷移金属を含む宝石の色は、この軌道エネルギーの変化によって分裂したd軌道間の光吸収によるものです。

詳細（プレスリリース本文）

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