東大ら,磁化ゼロにおける磁気光学現象を発見

東京大学,東北大学の研究グループは,磁化を持たない物質であるチタンとマンガンの複合酸化物の内部を進む光の透過率を測定し,磁気キラル二色性の存在を明らかにした(ニュースリリース)。

キラルな物質が磁場中に置かれたり磁化を有したりする場合,その内部を光が磁場や磁化と同じ向きに進む場合と逆向きに進む場合の二通りについて透過率が等しくないことが知られていた。

さらに,キラルな物質では,右手と左手のように,鏡に映した像の関係にある二つの異性体が存在する。したがって,磁化を持つキラルな物質中を光が進むときには,物質が右手系か左手系か,光が磁化と同じ向きに進むか逆向きに進むか,のそれぞれの場合が考えられる。

左手系物質中で磁化と同じ向きに光が進む場合をA,右手系物質中で磁化と同じ向きに光が進む場合をB,左手系物質中で磁化と逆向きに光が進む場合をC,右手系物質中で磁化と逆向きに光が進む場合をDとすると,AとD,BとCのそれぞれでは透過率が等しくなり,それらの間で差が生じることが分かっていた。この現象は磁気キラル二色性と呼ばれる。

今回,研究グループは,チタンとマンガンの複合酸化物MnTiO3の光の透過を調べたところ,ある方向から光を入射した場合と逆方向から光を入射した場合で,透過率に差が生じることが分かった。すなわち,この物質には表側と裏側の区別が存在することになる。さらに,電場と磁場をうまく作用させることで表と裏を入れ替えることにも成功した。

磁化を持つ材料はいわゆる磁石として使われているだけでなく,磁気記録や光アイソレータの材料としても利用されている。これらの用途においては,外部磁場に対する安定性や磁化の向きの高速制御が重要になる。

今回の研究は,MnTiO3に限らず,ある一定の条件を満たせば,磁化を持たない物質でも磁気キラル二色性が生じることを示唆している。したがって,今回得られた知見は,磁気キラル二色性のスイッチングをより高速に行なう際の材料設計指針となる。

現在のところ,磁気キラル二色性の存在が確認された物質はそれほど多くないが,材料探索の幅が広がるほか,人工的な磁性超格子の設計指針にもなりうるなど,磁気キラル二色性という特異な磁気光学効果を活用するうえで重要な示唆を与えることが期待されるとしている。

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