東北大,円偏光で界面に誘起されるスピンを発見

東北大学は,円偏光によって強磁性/非磁性界面に誘起されるスピンを発見した(ニュースリリース)。

昨今,社会を取り巻く情報量は飛躍的に増えており,それを扱うデバイスの高速化が求められており,新しい技術として光を用いた高速,低消費電力デバイスが注目を集めている。

光で読み書き可能なメモリも重要な構成要素であり,微小磁石からなる磁気メモリは不揮発性を有しかつ高密度化可能なメモリとして有力となっている。しかしながら光と磁気の相互作用が小さいため,物質中に光によってスピンまたは磁場を生成して効率的に微小磁石の極性を反転させることができていない。

今までの研究では磁性体の逆磁気光学効果による磁場生成や,非磁性重金属への光吸収によるスピン注入は報告されていたが,物質界面によるスピン生成の報告はなかった。他方,薄膜における構造非対称性を利用した界面での電流-スピン流変換は,電流による微小磁石制御手法としてよく研究されていた。

研究では,数ナノメートルの鉄コバルト合金薄膜の上に非磁性重金属である白金を積層した構造を用いた。100フェムト秒の時間幅をもつ円偏光のパルス光を鉄コバルト薄膜/白金薄膜の積層構造に照射すると,鉄コバルトの磁気の振動を励起できることが分かった。またそれが円偏光のヘリシティの向きに依存することを見出した。これは円偏光によって薄膜中にスピンが誘起され,薄膜磁石にトルクが与えられる結果生じるという。

トルクの方向の膜の厚み依存性を詳細に調べたところ,光照射によって界面にスピンが生成されていることを発見した。また,構造対称性を変えた様々な試料で実験を行ない,この効果の発現には薄膜の構造非対称性が重要であることを見出した。

研究で明らかになった光照射による界面でのスピン生成は,光によって効率的に微小磁石を制御する技術を開発する上で新しい知見となる。今後,光照射によってスピンが生成される効率,ならびに微小磁石の制御効率を向上させるための基礎的な研究を行なうことで,高速かつ低消費エネルギーの光磁気メモリの実現を目指すとしている。

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