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平成23年12月5日

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東京大学
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光の進行方向によって吸収量が変わるエレクトロマグノンを発見
−新しい機能を持つ高速通信用の素子の道を開く−

JST 課題解決型基礎研究の一環として、東京大学 大学院工学系研究科の十倉 好紀 教授とJST 戦略的創造研究推進事業 ERATO型研究「十倉マルチフェロイックスプロジェクト」の高橋 陽太郎 研究員らは、マルチフェロイックス注1)と呼ばれる磁石の性質(磁性)と分極(強誘電性)が共存する物質に光をあてたときに、光の進行方向を反転させると、光の吸収量が変化する方向2色性注2)という効果が巨大になることを発見しました。

通常の物質では、光を表から入れても裏から入れても、光吸収率などの光学応答に差は出ません。しかし、磁性と強誘電性とを併せ持つ物質では、光が表から入った場合と裏から入った場合とで光の吸収率が異なるという、不思議な光学応答を示すことがあります。

今回の研究では、磁化の振動でありながら電場に対して応答するエレクトロマグノン注3)と呼ばれる励起状態注4)が、マルチフェロイックス物質群に広く存在することを発見しました。このエレクトロマグノンは強誘電分極と磁化が結びついた振動で、ギガヘルツからテラヘルツの周波数帯に現れます。このエレクトロマグノンでは、物質中で対向して進む光の間で2倍以上の非常に大きな光吸収係数の差が生じることが分かりました。さらに、強誘電分極、磁化のいずれかの方向を反転させると、光透過率の光方向依存性が入れ替わることを確認しました。

このエレクトロマグノンは物質や磁場を選ぶことでギガヘルツからテラヘルツ帯まで周波数が変わり、方向2色性の大きさも同時に制御することができます。また、外部の磁場や電場で吸収係数のオン・オフを切り替えることができるため、ギガヘルツ帯の高速通信用の素子などへの展開が期待されます。

本研究は、東京大学 大学院工学系研究科、理化学研究所 基幹研究所、内閣府の最先端研究開発支援プログラム(FIRST)との共同研究で行われ、本研究成果は、2011年12月4日(英国時間)発行の英国科学雑誌「Nature Physics」で公開されます。

本成果は、以下の事業・研究プロジェクトによって得られました。

戦略的創造研究推進事業 ERATO型研究

研究プロジェクト 「十倉マルチフェロイックスプロジェクト」
研究総括 十倉 好紀(東京大学 大学院工学系研究科 教授)
研究期間 平成18〜23年度

JSTはこのプロジェクトで、磁化と電気分極の強い相関を持つマルチフェロイックス物質の創製と、その物性を説明する学理の構築を総合的に行うことで、材料の新たな設計指針を見いだしつつ、ものづくり手法の高度化と合わせて、新規材料群の開拓を行っています。

<研究の背景>

光や電波などは、振動する電場と磁場から成っています。通常はこの電場、磁場のどちらか一方が物質に作用することで光学応答が起こります。しかし、光の電場と磁場が同時に物質に作用すると、通常の光学を超えた効果が起こることが期待できます。このような効果を大きくするには、電気磁気効果と呼ばれる電気分極と磁化の間の相互作用を強くする必要があります。2003年に十倉教授らによって発見されたマルチフェロイックスと呼ばれる物質群では電気分極と磁化が物質中で強く結びついているため、非常に大きな電気磁気効果を発現します。この効果を動的な過程に拡張すると、例えば磁化の振動が同時に電気分極の振動を伴います。このような励起状態はエレクトロマグノンと呼ばれ、近年盛んに研究されています。このエレクトロマグノンが、光の電場と磁場に同時に応答することが可能であれば、光領域の電気磁気効果の一例として、光の進行方向によって物質そのものの光の透過率が変化するという不思議な性質、つまり方向2色性が現れます。このような電気分極と磁化の強い結びつきを利用した物質の新規機能を開拓することが強く期待されていました。

<研究の成果>

本研究では、代表的なマルチフェロイックス物質であるマンガン酸化物Eu0.550.45MnOにおいて、新しいエレクトロマグノンを観測しました。このエレクトロマグノンは強誘電分極の振動と、それと強く結びついた磁化の振動から成っていて、ギガヘルツからテラヘルツの周波数帯に現れます。このような励起状態の存在は、近年新たなマルチフェロイックス物質が発見されたことにより理論的に予言されていましたが、これまで実験的には観測されていませんでした。今回の発見は、エレクトロマグノンが広くさまざまなマルチフェロイックス物質に共通して存在していることを示すものです。

物質中で強誘電分極と磁化が図1のように直交すると、両者に対して垂直に進む光は、進行方向の左右の違いでそれぞれ透過率が異なる不思議な応答を示します。このような条件下で今回発見したエレクトロマグノンによる光の吸収を観測すると、対向する光の間で2倍以上の吸収係数の差を持つ巨大な方向2色性が確かに観測されました(図2)。この方向2色性は強誘電分極、磁化の方向のどちらか一方を反転させることで、その光透過率の方向依存性が入れ替わります。これは、電気磁気効果と呼ばれる現象(物質中で磁化と電気分極が相互作用する現象)によって説明ができます。通常の電気磁気効果は静的な分極と磁性の間の現象として観測されますが、本研究で発見されたエレクトロマグノンは、マルチフェロイックスに特有の巨大な電気磁気効果をギガヘルツからテラヘルツ帯での高速運動を示す動的過程に拡張したものであるということができます。

<今後の展開>

今後は、本研究で見いだされたエレクトロマグノンを広く多くのマルチフェロイックス物質で観測することで、ギガヘルツからテラヘルツ帯の新しい光学素子としての可能性を開拓します。また、光領域の電気磁気効果には、さらに新たな機能性を持った現象が期待されます。今回発見された巨大な電気磁気効果を用いて、新規で特異な光学現象を探索します。

<参考図>

図1

図1 方向2色性

光の方向が反転すると物質の吸収率が変化する現象。物質に強誘電分極と磁化が共存し、それぞれが直交した時、図のように両者に垂直に進行する光の応答は、光の進行方向によって変化します。上の例では、左側に進む光は物質中で磁化と強誘電分極の振動を引き起こし吸収されますが、右に進む光は吸収されずそのまま透過します。

図2

図2 エレクトロマグノンの方向2色性のスペクトル

図はテラヘルツ領域のスペクトルで、物質の吸収の強さを表しています。これは温度が摂氏−269度、磁場の大きさが7万ガウスで測定されたものです。図中に2つのピークがあります。0.6 テラヘルツのピークは反強磁性共鳴と呼ばれるもので、光の磁場成分にのみ応答する励起状態です。0.2 テラヘルツに位置するのがエレクトロマグノンで光の電場と磁場両方に応答する励起状態です。このエレクトロマグノンでは吸収の大きさが、光の進行方向に応じて大きく変化しているのが分かります。

<用語解説>

注1) マルチフェロイックス
物質中でS極とN極を持つ磁石(磁化)を持つ磁性と、プラスとマイナスに電荷が偏った強誘電分極を持つ強誘電性が共存する物質を示します。特に、磁化の秩序が強誘電分極を誘起する場合、磁性と強誘電性が完全に同期した非常に強い相互関係が現れます。
注2) 方向2色性
光の進行方向が反転した時に、物質中での光の吸収係数が変化する非常に特異な現象。これは時間・空間を反転させた時に物質に異なる応答が現れる現象であることから、非相反性という言葉で表されます。よく知られたマジックミラーは、このような非相反性はなく、表側と裏側での明るさの差を利用しています。
注3) エレクトロマグノン(マグノン)
量子力学によれば、あらゆる振動は仮想的な粒子(準粒子)として取り扱うことが可能です。磁性体中の磁化の振動に関する準粒子がマグノンになります。通常のマグノンは振動磁場のみに応答しますが、振動電場に応答するマグノンはエレクトロマグノンと呼ばれます。
注4) 励起状態
固体中の原子や磁性などのとりうる状態のうち、最もエネルギーの低い基底状態よりもエネルギーが高い状態。物質が光を吸収することで、このような状態が固体中に生成される。

<論文名>

“Magnetoelectric resonance with electromagnon in a perovskite helimagnet”
(ヘリカル磁性体におけるエレクトロマグノンの電気磁気共鳴)

<お問い合わせ先>

<研究に関すること>

高橋 陽太郎(タカハシ ヨウタロウ)
科学技術振興機構 ERATO「十倉マルチフェロイックスプロジェクト」 研究員
〒113-8656 東京都文京区本郷7−3−1
Tel:03-5841-6840 Fax:03-5841-6840
E-mail:

<JSTの事業に関すること>

金子 博之(カネコ ヒロユキ)
科学技術振興機構 イノベーション推進本部 研究プロジェクト推進部
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