東大ら,自然旋光性の電場制御に成功

東京大学と理化学研究所(理研)は,らせん型に配列したスピンを用いることでテラヘルツ帯に大きな自然旋光性が生じることを発見し,電圧による自然旋光性の制御に成功した(ニュースリリース)。

カイラリティを持つ物質中を進む光の偏光は,右手系と左手系で逆向きに回転する自然旋光性を持つ。従来の物質では,原子の空間的な配置が反転対称性を破ることでカイラリティが生じる。一方で,物質中の最小の磁石であるスピンの配列によってもカイラリティが生じることが知られている。しかし,スピン配列のつくるカイラリティの基本的な性質は知られていなかった。

研究グループは,らせん型に配列したスピンに着目。右回りに配列したスピンと,左回りに配列したスピンでは異なるカイラリティを持つ。このようならせん型のスピン配列を持つ物質は,マルチフェロイクスといった新しい機能材料としても注目を集めている。

研究ではCuOというマルチフェロイクスを用いて,スピン配列由来のカイラリティが自然旋光性を示すかどうかを検証した。CuOの単結晶試料は理研のレーザーフローティングゾーン炉を用いて合成した。

スピンの光応答はテラヘルツ帯に現れるため,結晶中を進むテラヘルツ光の偏光を調べた。その結果,右巻きと左巻きのらせん型のスピン配列では,テラヘルツ光の偏光が逆向きに回転することがわかり,偏光回転角がテラヘルツ帯で増強されていることがわかった、この実験から,スピン配列由来のカイラリティによって自然旋光性が生じることを実証した。

マルチフェロイクス中のらせん型スピン配列は,電圧によって右巻きと左巻きを制御できる。この性質を利用し,電圧パルスを印加することでカイラリティと自然旋光性の制御に成功した。電圧を切った後でも自然旋光性は変化せず,不揮発なカイラリティが存在すること,逆向きの電圧を印加すると自然旋光性が反転することを示した。これは,電圧によってカイラリティを書き込み,それを光で読み込めることを意味する。

今回の成果は,スピン配列の持つカイラリティが,様々なデバイスの新原理として利用できることを示すもの。例えば,電圧による光の偏光の制御によって,低消費電力の光制御デバイスとなり得る。また,カイラリティを電圧で制御し,光で読み込む不揮発性メモリの新原理にもなり得る。

研究グループは今後,スピン配列を利用することでカイラリティをひとつの機能として用いたさらなる研究開発が進められることが期待されるとしている。

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