白金混合で磁性体の光磁気トルクが従来比約5倍に増強 光を用いたスピンメモリやストレージ技術の開発加速に期待

白金混合で磁性体の光磁気トルクが従来比約5倍に増強光を用いたスピンメモリやストレージ技術の開発加速に期待

2025年1月 7日 11:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇材料科学高等研究所/先端スピントロニクス研究开発センター　教授　水上成美

【発表のポイント】

白金を混合した金属磁性体ナノ薄膜において、従来よりも约5倍効率のよい光磁気トルク^（注¹^）を観测しました。
光磁気トルクの増强が、円偏光によって発生する电子轨道角运动量^（注²^）と相対论的量子力学効果^（注³^）に起因することを明らかにしました。
电子轨道角运动量の物理に新しい知见を与えると同时に、光を用いた高効率のスピンメモリや磁気ストレージデバイス技术の开発に寄与する成果です。

【概要】

现在、电子技术と光技术を融合する光电融合技术の开発に多くの机関や公司が取り组んでいます。光と磁気を用いたナノ磁性体（ナノは10亿分の1）の制御もそのような次世代の融合技术の一つとして期待され、その基础?応用に関する研究が精力的に进められています。

东北大学大学院工学研究科応用物理学専攻の抜井康起大学院生は、同大学学际科学フロンティア研究所（贵搁滨厂）の饭浜贤志助教（研究当时；现在、名古屋大学准教授）ならびに同大学材料科学高等研究所（奥笔滨-础滨惭搁）の水上成美教授らと共同で、典型的な金属磁性体であるコバルトに白金を混合した合金ナノ薄膜の円偏光によって発生する光磁気トルクを観测したところ、白金を混合しないコバルトナノ薄膜に比较して约5倍大きな光磁気トルクが発生することを见出しました。光の强度を约5分の1に弱めても同じ効果を生じさせることができるため、より省エネルギーの光磁気デバイスの开発につながります。

本研究では、典型的な金属磁性体であるコバルトに様々な浓度の白金を最大で70％まで固溶した合金ナノ薄膜を作製し研究を进めた结果、白金元素に特有の相対论的量子力学効果が、円偏光によって発生する电子轨道角运动量に由来する磁気トルクを増强することが明らかになりました。

金属磁性体における电子轨道角运动量の物理に新しい知见を与えるとともに、光を用いて情报を书き込む高効率のスピンメモリやストレージ技术の开発に寄与する成果です。

本研究は2025年1月2日に学術誌Physical Review Lettersのオンライン版に掲載されました。

図1. コバルトと白金の原子からなるコバルト?白金合金ナノ薄膜に対して、面直方向に円偏光を入射すると磁気の方向（黒色のベクトル）を変化させる光磁気トルクが発生する（赤色ならびに青色のベクトル）。光磁気トルクは薄膜面直方向（赤色のベクトル）と面内方向（青色のベクトル）の成分からなる。

【用语解説】

注1. 光磁気トルク
トルクはねじりモーメント（回す力?ひねる力）のこと。磁性体に光を入射すると、磁性体の磁気に作用するトルクが発生する。磁気トルクは磁気の方向を変化させるため、光によって磁気の方向を制御できる。絶縁体や金属を问わず様々な磁性体でこのトルクが见出されており、その物理メカニズムも异なる。

注2. 電子軌道角運動量
固体中の电子の轨道运动に起因する轨道角运动量。电子の自転运动に起因するスピン角运动量に加えて、轨道角运动量の工学的利用が最近検讨され始めている。

注3. 相対論的量子力学効果
相対性理论を取り入れた量子力学から予测される効果。ここではいわゆるスピン轨道相互作用を指す。白金や金、あるいは铅といった重い元素で顕着に现れる。

【论文情报】

タイトル：Light-induced torque in ferromagnetic metals via orbital angular momentum generated by photon helicity
着者： Koki Nukui, *Satoshi Iihama, Kazuaki Ishibashi, Shogo Yamashita, Akimasa Sakuma, Philippe Scheid, Grégory Malinowski, Michel Hehn, Stéphane Mangin, *Shigemi Mizukami
*責任着者：东北大学学際科学フロンティア研究所　助教　飯浜賢志（研究当時）、东北大学材料科学高等研究所　教授　水上成美
掲載誌：Physical Review Letters
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