東大ら,レーザーによる超高速磁気秩序変化を観測

東京大学と独Helmholtz-Zentrum Berlinは,ペロブスカイト型鉄酸化物La1-xSrxFeO3の薄膜における反強磁性磁気構造の超高速な変化を,共鳴軟X線散乱の時間分解測定により観測に成功した。

近年,電荷の自由度のみならずスピンの自由度をエレクトロニクスに応用するスピントロニクスの分野において,従来メモリなどへの応用で広く使われている強磁性体に加えて,反強磁性体の光誘起ダイナミクスが注目されている。

反強磁性体は,そのマクロな磁化が消失していることにより,より高いエネルギー効率で超高速な光制御が可能であることが期待されている。研究では,反強磁性を示す鉄ペロブスカイト酸化物薄膜における光誘起磁化ダイナミクスを調べた。

今回,La1/3Sr2/3FeO3薄膜とSrFeO3-δ薄膜という物質に着目。どちらの物質も反強磁性相と同時に高い価数のFeを持つという特徴を持つ。反強磁性体はマクロな磁化が消失しているため,直接的な観測手段は限られている。そこで反強磁性秩序を直接的に観測できる共鳴軟X線散乱を用いて時間分解測定を行なった。これにより,反強磁性秩序の光誘起状態の時間発展を直接検出した。

軟X線時間分解測定は独放射光施設BESSY IIで行なった。測定に用いた鉄酸化物の薄膜に対して軟X線時間分解測定を行ない,磁化の時間変化の様子を観測した。その結果,La1/3Sr2/3FeO3の場合,レーザー照射(0秒)の後,時間分解能である0.13ピコ秒以内で反強磁性秩序が消失していることがわかった。

この結果により,鉄のスピンの光励起状態のイメージ図が得られた。またSrFeO3-δ薄膜と比較してより低い強度のレーザーで変化が起きていることもわかった。このように,鉄酸化物の薄膜において,超高速かつ低いエネルギーでの変化が起きていることを実証した。

この研究により,反強磁性であった酸化物薄膜に0.1ピコ秒程度のスケールで超高速なスピン操作が可能であることが示されるとともに,電子・磁性構造と変化を起こすのに必要なレーザー光強度が関連していることを示した。

研究グループは今後,光によるスピンの制御やさまざまな物質の研究を通じ,それを応用した反強磁性体を利用した次世代のデバイス開発につながることが期待されるとしている。

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