偏光依存全光型磁化反転の新展開

• 研究課題/領域番号: 22K14588
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分29010:応用物性関連
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 山田 貴大 東京工業大学, 理学院, 助教 (40874722)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2022年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2022年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
• キーワード: 全光型磁化反転 / 強磁性金属薄膜 / 円偏光

研究開始時の研究の概要

円偏光フェムト秒光パルスの強磁性金属薄膜への照射により、光のヘリシティーに応じた磁化方向の制御が可能である。この偏光依存全光型磁化反転現象を磁気記録媒体の書き込みへと応用できれば、技術革新へと繋がり得る。本研究では、膜構造・パルス幅・波長の3条件をアップデートし、偏光依存全光型磁化反転の磁気記録媒体への応用と同時にその物理の発展に貢献する新展開の創出を目指す。

研究実績の概要

本研究の目的は、膜構造・パルス幅・波長の3条件をアップデートし、全光偏光依存磁化反転の磁気記録媒体への応用と同時にその物理の発展に貢献する新展開を創出することである。本年度はまず、近赤外から可視領域に中心波長をもつ従来のフェムト秒レーザーではなく、X線自由電子レーザー(XFEL)を用いた円偏光依存磁化反転を実証した。Pt/Co/Pt多層膜中の磁気分極したPt原子のＬ3吸収端を硬X線パルスにより強励起したとき、円偏光状態に依存して磁気ドメインが変化した。XFEL照射後の磁化状態の空間的な偏りがX線磁気円二色性(XMCD)とよく一致する。これは、磁化反転の円偏光依存性が、円偏光選択的な内核-外殻準位間での電気双極子遷移に由来するX線光子の吸収により生じることを意味している。さらに、2022B期のSACLAビームタイムにおいて、SACLAのシステムとフェムト秒レーザーを同期しながら、磁気ドメインの変化を時間分解撮像する測定系の構築に成功した。今後は、この測定系を用いて、磁化反転ダイナミクスの解明に注力する。
さらに、フェムト秒レーザーではなくナノ秒レーザーを使用した円偏光依存磁化反転を調査した。QスイッチNd:YAGレーザー(パルス幅: 10 ns)を使用し、Pt(3 nm)/Co(0.6 nm)/Pt(3 nm)を励起した。磁気ドメインの変化が生じるよりも低いエネルギー密度で薄膜がダメージを受け、保磁力が変化した。光吸収により膜内に蓄積された熱のために、膜がダメージを受けたと考えられる。この問題には、強磁性層の膜厚を薄くし、キュリー温度を室温付近まで下げることで対処する予定である。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初の計画どおりに、円偏光依存磁化反転とXMCDとの明確な相関を明らかにし、XFELを用いた時間分解測定系の構築することができた。円偏光ナノ秒レーザーを用いた偏光依存磁化反転の実証には未だ成功していないが、問題に対処する筋道がすでに立っている。これら事実から、「おおむね順調に進展している」と判断した。

今後の研究の推進方策

継続課題は、【研究実績の概要】に示したように推進していく。反対称膜構造を用いた全光型円偏光依存磁化反転の調査は、今年度から開始する予定である。

研究成果

• [学会発表] Exciting magnetic materials by XFEL (2023)
  • 著者名/発表者名: Kihiro Yamada
  • 学会等名: SACLA Users' meeting 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Magnetization switching by circularly polarized x-ray free electron laser (2023)
  • 著者名/発表者名: Kihiro T. Yamada, Akira Izumi, Tetsuya Ikebuchi, Sumiyuki Okabe, Masaki Kubo, Ryusei Obata, Rei Kobayashi, Yoshito Tagahashi,Yao Lyuxian, Yuya Kubota, Takuo Ohkochi, Yoichi Shiota, Takahiro Moriyama, Teruo Ono, Iwao Matsuda, Tadashi Togashi, Yoshihito Tanaka, Motohiro Suzuki
  • 学会等名: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] レーザー照射による異常ネルンスト効果の四端子測定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 望月 颯一郎, 大林 尚文, 杉浦 達, 塩田 陽一, 森山 貴広, 小野輝男, 佐藤 琢哉, 山田 貴大
  • 学会等名: 7th Annual Meeting of the Spintronics Research Network of Japan
• [学会発表] Four-terminal sensing of the anomalous Nernst effect induced by laser illuminations (2023)
  • 著者名/発表者名: Soichiro Mochizuki, Takafumi Obayashi, Itaru Sugiura, Yoichi Shiota, Takahiro Moriyama, Teruo Ono, Takuya Satoh, Kihiro T. Yamada
  • 学会等名: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Spintronic THz emitter with L12-ordered antiferromagnetic Mn3Ir (2023)
  • 著者名/発表者名: Huiling Mao, Yuta Sasaki, Yuta Kobayashi, Shinji Isogami, Teruo Ono, Takahiro Moriyama, Yukiko K. Takahashi, Kihiro T. Yamada
  • 学会等名: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Magneto-optical Kerr effect of a non-collinear chiral antiferromagnet Mn3Ir (2022)
  • 著者名/発表者名: Kihiro T. Yamada, Kotarou Yamaguchi, Yuta Kobayashi, Teruo Ono, Takahiro Moriyama, Takuya Satoh
  • 学会等名: 24th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces
  • 国際学会
• [学会発表] Magneto-optical imaging of magnetic domains in a noncollinear chiral antiferromagnet Mn3Ir (2022)
  • 著者名/発表者名: Kihiro T. Yamada, Kotarou Yamaguchi, Yuta Kobayashi, Teruo Ono, Takahiro Moriyama, Takuya Satoh
  • 学会等名: Magnetics and Optics Research International Symposium
  • 国際学会
• [図書] 光と物質の量子相互作用ハンドブック (2023)
  • 著者名/発表者名: 佐藤琢哉, 山田貴大
  • 総ページ数: 992
  • 出版者: エヌ・ティー・エス株式会社