東北大,ナノ磁石で発現する磁気の渦を光で検出

東北大学の研究グループは,数百nmの大きさのナノ磁石の中に,電気と磁気を結びつける機能を持つ磁気の渦を実現し,光の波長が変換される非線形光学効果を利用して,磁気の渦を非破壊・非接触で直接検出する手法を開拓した(ニュースリリース)。

近年,スピントロニクス技術が,低消費電力・高密度なデバイス実現の観点から注目を集めている。

この磁気が特殊な配列をするとき,物質中で電気と磁気を結びつける機能が発現することが知られているが,そのような磁気の配列は室温よりもはるかに低い温度でしか起こらないことが多く,また,それを自然物質で実現する確実な方法論が存在しないという問題があった。

今回研究グループは,ナノテクノロジーを用いることで,ニッケル(Ni)と鉄(Fe)の合金であるパーマロイ(NiFe)のナノ磁石を作製し,その中に電気と磁気を結びつける機能を持つ磁気の渦を実現した。

ナノ磁石は,形状や大きさ,配列などを自由に設計することができ,それにより,特殊な磁気配列を室温で系統的かつ精密に制御することができる。また,小さな磁場で容易に磁石の性質を変えることができるため,新規な磁気配列を実現する舞台として注目されている。これまでに,正三角形の形状のナノ磁石を用いると,外部磁場により磁気の渦の方向制御が可能であることが知られていた。

今回,磁気シミュレーションにより磁気の渦の振る舞いを定性的に評価する手法を開発し,磁場ゼロ付近で磁気の渦が実現すること,また,磁場を掃引する方向を逆にすると渦の向きも反転することを確かめた。

研究グループは,ナノ磁石の中に実現される磁気の渦を直接的に検出するために,非線形光学効果の一種である光第二高調波発生(SHG)を用いた高感度検出システムを構築した。

今回作製したナノ磁石および磁気の渦の対称性を考えると,左回りの円偏光を照射すると波長が半分になった右回りの円偏光が生じることが予想されたが,実際その原理を利用して磁気の渦を検出することに成功した。

さらに,磁気の渦を反転すると,SHG強度に明瞭な違いが生じることが分かり,これにより方向までをも含めた磁気の渦の非破壊・非接触な直接検出の基礎原理を確立した。

今回得られた結果は,従来の物質合成手法とは異なるアプローチによる電気磁気交差相関機能の精密制御や室温動作に新たな道を拓くもの。研究グループは,室温動作する新規ナノデバイスの開発に新たな道を拓くだけでなく,新しい光-電気-磁気融合変換技術の開拓など,最先端物質の機能解明や新機能の創出への貢献が期待される成果だとしている。

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