【研究領域課題番号】21H01796 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光物性 / テラヘルツ / 磁性体 / 光起電力効果 / マルチフェロイクス

【研究成果の概要】

テラヘルツ帯の光照射による光起電力の実現を目指し、特にマルチフェロイクスがテラヘルツ帯に有するエレクトロマグノン共鳴に着目した研究を進めている。当該年度は、代表的なマルチフェロイクスであるペロブスカイト型マンガン酸化物を対象に研究を行った。マンガン酸化物は最低温でサイクロイド型らせんにスピンが配列する。この時、スピン秩序由来の自発分極が生じる。このスピン秩序由来の反転対称性の破れは、バルク光起電力効果の必要条件のひとつである。また、ノンコリニアならせん型スピン構造により、テラヘルツ帯にエレクトロマグノンの共鳴が現れる。このエレクトロマグノンをテラヘルツ光で共鳴励起することで、2次の非線形光学効果のひとつである光起電力効果が期待できる。この現象は。バンドギャップよりもはるかに小さなフォトンエネルギーによる光起電力効果であり、シフト電流機構を介することで実現することが理論的に予想されている。我々はパルステラヘルツ光源を用いて、実証実験を行った。テラヘルツ光源は0.2－2.0 THzをカバーするスペクトル幅を持っており、マンガン酸化物のエレクトロマグノンの帯域をカバーしている。テラヘルツ光の照射により試料の両端に発生した光電流をプリアンプで増幅したのち、オシロスコープで観測した。測定の結果、テラヘルツ光に同期した電流発生が観測された。光電流は強誘電相でのみ観測され、常誘電相では消失した。この結果は、マルチフェロイクスがテラヘルツ帯の光起電力効果を示すことを明らかにしたものである。また、光起電力の大きさが、強誘電分極の大きなにスケールせず、特異な温度依存性を示すことが明らかになった。これは、従来の強誘電体のバルク光起電力効果とは大きく異なる傾向である。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2021-04-01 - 2024-03-31

【配分額】17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)

【研究分野】応用物理物性およびその関連分野

【研究領域課題番号】17K19050 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光物性 / マルチフェロイクス / テラヘルツ分光 / 磁性体 / マルチフェロイック

【研究成果の概要】

本研究ではエレクトロマグノンと呼ばれる巨大磁気共鳴を介した新しいスピン流生成の手法を開拓する。テラヘルツ帯のエレクトロマグノンを共鳴をするための高強度テラヘルツ光源の構築を行い、繰り返しが1 kHzの光源で平均パワーで 1.8 mW、中心周波数が0.6 THzのテラヘルツ光を得た。一方、強いエレクトロマグノン共鳴を持ち、かつ室温でも使用可能な材料の探索を行い、マルチフェロイクス材料のひとつであるヘキサフェライトを用いたスピン流検出のためのデバイス作成を行った。テラヘルツ照射下でのスピン流生成を示す信号を、逆スピンホール効果により検出することに成功した。

【研究の社会的意義】

スピン流は物質中の新しい流れとして応用も含めた広い観点から大きな注目を集めている。通常、マグノンスピンポンピングではマイクロ波によるスピン波励起が用いられるが、本研究では光の電場に応答するエレクトロマグノン励起を利用してテラヘルツ帯の光を用いてスピン流生成を実現させることを目的とした。強力な光源を得ることが難しいテラヘルツ帯で、巨大なエレクトロマグノン共鳴を持つ物質の見出すことに成功し、その材料を用いてテラヘルツ光によって生成されたスピン流観測に成功した。本研究で実現したスピン流観測法の確立は、有効な光学デバイスの少ないテラヘルツ帯での光機能開拓への展開が期待できる。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2017-06-30 - 2019-03-31

【配分額】6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】17H02916 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

励起子絶縁体 / BiCo03 / スピンダイマー模型 / 四重極相 / マルチフェロイクス / 強相関 / 軌道自由度 / 強相関電子系 / 電子相関 / 磁性 / 光物性 / 誘電体物性

【研究成果の概要】

[1]強相関拡張された二軌道ハバード模型では、高スピン(HS)相と低スピン(LS)相の間に励起子絶縁体が現れる。この相境界付近で、弱いスピン軌道相互作用を採り入れると、HS相に内在する四重極自由度の揺らぎにより帯磁率が著しく増強されることを明らかにした。
[2][1]の励起子絶縁体の模型において、変分クラスタ法を用いてvertex補正まで取りいれ、光学電導度を計算したところ、励起子絶縁相においては鋭いピークと連続スベクトルという特徴的な構造が得られ、この構造の積分値が励起子の秩序変数でスケールすることから、この相を特徴づける観測量であることを明らかにした。
[3][1]の2軌道ハバード模型の電荷自由度をスピン自由度に読み替えたダイマースピンモデルのうちで、S=1から構成される系において3種類の四重極相を見出し、そのうちフェロネマティック相の比熱の温度依存性に特異なリエントラント現象が生じることを明らかにした。これらの四重極相は[1]の模型の励起子相と読み直すことができる。
[4]励起子絶縁体の候補物質のコバルト酸化物のうち、反強磁性と焦電性を同時に示すマルチフェロイック物質BiCo03に着目し、の第一原理電子状態計算を行った。CoサイトをFeイオンで置換した際の圧電定数の変化を調べたところ、単斜晶構造Bi(Co, Fe)03が大きな圧電定数を示すのは、Co05ピラミッド配位の頂点酸素原子が対称性を下げることなく変位することにより、ピエゾテンソルの非対角項に寄与することが原因であることが分かった。また、スピン軌道相互作用を考慮したバンド計算により、反強磁性磁気空間群の対称性から許されるラシュバ効果を示すことを計算予測した。
[5][4]のBiCo03のスピン軌道相互作用の効果の理解に参考となる有効モデルとして 反強磁性絶縁体の一般化モデルを考案し、擬スピン描像を用いて系の性質をその詳細によらず解析的に明らかにする方法論を開発した。2種類のマグノン(擬スピン自由度)が混成して熱ホール効果やスピンテクスチャを生じる機構として、過去に知られていたスピン軌道相互作用以外に、Kitaev相互作用を含め、多くの空間的に反対称な相互作用が新たに加わることを明らかにした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2017 - 2019

【配分額】17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】17H04845 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光物性 / マルチフェロイクス / テラヘルツ分光 / マルチフェロイック / 磁性体 / テラヘルツ

【研究成果の概要】

カイラリティは空間反転対称性の破れを示し、物理・光学・化学・生物など幅広い分野で重要な概念である。通常は化学的な結晶構造に由来して物質がカイラリティを持つ。しかし、スピンの秩序においても、カイラリティが生じ、その重要性が近年広く議論されている。本研究では、スピン構造に由来したカイラリティの基礎特性の解明、その制御などスピンを使うことで得られる自由度の開拓を目的とした。テラヘルツ帯の偏光分光を行うことで、らせん型スピン構造に由来した自然旋光性を観測することに成功した。更に、自然旋光性を指標とすることで、カイラルドメイン壁のダイナミクスの動的相転移の観測に成功した。

【研究の社会的意義】

カイラリティは対称性の破れを示す普遍的な概念である。一般的にはカイラリティは結晶や分子中の原子位置によって生じるが、スピン構造によっても結晶構造とは独立にカイラリティを持ちうる。スピン構造由来のカイラリティの最も基本的な特性である、自然旋光性をテラヘルツ帯のエレクトロマグノンの共鳴で観測することに成功し、カイラリティが外場で制御しうることを明らかにした。この結果はスピン由来のカイラリティの持つ基礎特性を解明しただけではなく、スピン構造特有の機能性を持ちうることを示したものである。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2017-04-01 - 2019-03-31

【配分額】26,260千円 (直接経費: 20,200千円、間接経費: 6,060千円)

【研究分野】応用物性

【研究領域課題番号】26706011 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光物性 / マルチフェロイクス / テラヘルツ分光 / マルチフェロイック / エレクトロマグノン / テラヘルツ / 磁性体

【研究成果の概要】

テラヘルツ帯に現れるエレクトロマグノン共鳴を利用し、電気磁気光学効果の新原理の開拓、巨大応答の実現を目指した研究を行った。らせん型に配列したスピン構造を利用することで、エレクトロマグノン共鳴における磁気カイラル効果を実現した。これは結晶構造に依存せずスピン構造のみに由来する現象であり、らせん磁性体の持つ一般的な動的応答である。特にデラフォサイト型の物質においては、４００％もの光学応答の変化を示す巨大な電気磁気光学効果（方向２色性）を実現した。一方、磁性由来の強誘電分極の伸縮モードに対応するエレクトロマグノンを観測し、その共鳴が電気磁気光学効果を示すことを明らかにした。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2016-03-31

【配分額】24,700千円 (直接経費: 19,000千円、間接経費: 5,700千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】24840012 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強相関電子系 / 物性実験 / 光物性 / 磁性体 / テラヘルツ / マルチフェロイック / エレクトロマグノン / 電気磁気光学効果 / 磁気共鳴

【研究成果の概要】

本課題ではマルチフェロイックと呼ばれる磁性と誘電性が強く結合した物質に置いて現れる新しいスピン波であるエレクトロマグノンに関する研究を行った。サイクロイド型磁気秩序を持つ磁性体においてエレクトロマグノンとその電気磁気光学効果を磁場で制御することで、２０倍以上の強度の増強に成功した。さらに、スクリュー型磁気秩序に由来したエレクトロマグノンの磁気カイラル効果の実現にも成功し、テラヘルツ帯での巨大な方向２色性を観測した。

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2012-08-31 - 2014-03-31

【配分額】2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)