Development of soft x-ray ultrafast magnetic imaging for revealing time- and space- resolved spin dynamics

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H01816
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: University of Hyogo
• Principal Investigator: Wadati Hiroki 兵庫県立大学, 理学研究科, 教授 (00579972)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 久保田 雄也 国立研究開発法人理化学研究所, 放射光科学研究センター, 基礎科学特別研究員 (30805510) ; 関 剛斎 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (40579611) ; 山崎 裕一 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 統合型材料開発・情報基盤部門, 主幹研究員 (70571610)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 時空間スピンダイナミクス / X線 / レーザー

Outline of Final Research Achievements

In this study, we aimed to establish a measurement to observe both space- and time-resolved spin dynamics for each element, and to elucidate the photo-excited spin states.To achieve this goal, we established time-resolved coherent resonant soft-X-ray small-angle scattering by using synchrotron radiation X-ray and X-ray free electron lasers (XFEL), and time-resolved magneto-optical Kerr microscopes by using ultrashort laser pulses in the laboratory. We succeeded in observing the ferromagnetic dynamics of iron-platinum thin films by XFEL, the antiferromagnetic dynamics of perovskite-type iron-oxide thin films by synchrotron radiation X-ray, and the space- and time- resolved spin dynamics of spinel-type oxide thin films by laboratory laser.

Free Research Field

光物性

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究により特に下記の２つの重要なスピンダイナミクスの観測結果が得られた。１つ目は鉄白金薄膜についてであり、鉄と白金で異なる時間スケールのダイナミクスを示すことが分かった。レーザー光による磁化反転現象の鍵が、鉄と白金の消磁時間の差にあると言える。２つ目はNiCo2O4薄膜についてであり、スピン偏極率が0.7程度と比較的小さく、1ピコ秒以下の超高速消磁が実現することが分かった。
このように、大型施設と実験室を両輪とするようなスピンダイナミクス研究のセットアップを建設し、今後にスピンのダイナミクスを元素別に空間と時間の両方を分解して観測する測定が進められる状況となったことも大きな意義である。