東大ら,光でワイル半金属の磁化とカイラリティ反転

東京大学と東北大学は,トポロジカル物質の一種である磁性ワイル半金属中の電子が持つカイラリティと磁化を光によって反転させることに成功した(ニュースリリース)。

ワイル半金属の中の電子は質量ゼロの粒子であるワイル粒子のように振る舞い,カイラリティを持つ。中でも磁性を示すワイル半金属の中の電子は,外部から磁場を加えなくても内部に生じる擬似的な磁場を感じ,巨大な異常ホール効果を示す。

この異常ホール効果によってもたらされる電流はエネルギー散逸がないことから,低消費電力で動作する次世代量子デバイスなどへの応用が期待されている。

今回,研究グループは,磁性ワイル半金属の中でも,トポロジカル物質の中でも特に大きな異常ホール効果を示すCo3Sn2S2の薄膜試料に円偏光の光パルスを照射すると,ワイル粒子の磁化とカイラリティが同時に反転することを発見した。

研究では,円偏光のレーザー光パルスを照射した際に異常ホール効果の符号が反転する様子を観測した。強磁性ワイル半金属の異常ホール効果の符号の反転はワイル粒子のカイラリティの反転を意味する。

カイラリティの符号反転は円偏光のヘリシティ(右回り,左回り)を交互に切り換えることで何度でも繰り返しが可能で,一度反転が起きた後は円偏光の光を切ってもその状態が持続する,不揮発的な現象だと明らかにした。

Co3Sn2S2の磁化の変化の様子を観測した結果,照射する光の強度がある値以上になると、円偏光の光パルスが照射されている箇所の磁化が反転した。円偏光の光強度を上げていくと,光がより強いビームの中心付近では磁化の向き(上向き,下向き)が空間的にランダムに分布し,使用した顕微鏡の分解能では観測できない程度の小さな領域の集合となり,平均して磁化を持たないように見える状態になる。

一方,光ビームの縁ではほどよい光強度が実現していて,磁化が反転する様子が観測された。この状態で,照射する円偏光の光の照射スポットを左右に掃引することで磁化の反転領域を書き込める。書き込まれる磁化の向きは照射する円偏光のヘリシティによって決まり,直線偏光の場合は,単に磁化の向きがランダムになった。

この磁化反転現象は,磁性体が持つ磁気円二色性に起因することがわかった。磁気円二色性があると,上向き・下向きのそれぞれの磁化を持つ領域(磁気ドメイン)で,光の吸収量に差が生じる。

円偏光パルスが照射されると一方の磁気ドメインの磁化のみが選択的に温められ,その後光パルスが通り過ぎると温まった領域が冷えていくが,その際に上向き,下向きにそれぞれ50%の確率で磁化するという過程を複数回繰り返し,最終的に一方向に磁化が揃う。

研究グループは,ワイル半金属の性質を利用した新たな光機能デバイスへの応用展開が期待される成果だとしている。

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