磁気電気光学効果の開拓

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15340112
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 十倉 好紀 東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (30143382)
• 研究分担者: 宮坂 茂樹 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助手 (70345106)
• キーワード: 磁気カイラル効果 / カイラリテイー / 時間・空間反転対称性の破れ / GaFeO_3 / トロイダル・モーメント

研究概要

通常のファラデー効果とは異なり、無偏向においても光の進行方向により光学応答が異なる新しい磁気光学効果"磁気カイラル効果"を開拓し、そのメカニズムを解明することが本研究の目的である。この磁気カイラル効果を発現させるには、空間反転対称性と時間反転対称性が同時に破れている事が必要である。本年度は、磁気カイラル効果の原理と指針に沿って候補となる物質をいくつか探索した。現在、空間・時間反転対称性が破れている物質として、磁化と電気分極を有するフェリ磁性体GaFeO_3と、結晶構造にカイラリテイーを有するスピネル型酸化物LiFe_5O_8に着目し、研究を進めている。
フェリ磁性体GaFeO_3において透過測定を行い、磁化および電気分極に依存する信号が得られた。この信号は、電気分極の方向反転により信号も反転すること、そして、信号強度と磁化の温度依存性がほぼ一致することから、信号強度が磁化に比例することが分かった。上記の結果から、磁化と分極の外積であるトロイダル・モーメントが磁気カイラル効果に寄与していることが示唆され、得られた信号が磁気カイラル効果であることを実験的に明らかにした。
また、磁性と電気分極を同時に担うFe元素付近の電子状態を高分解能で測定するために、Fe元素に共鳴条件を合わせたX線共鳴散乱の測定も行い、共鳴端付近に磁気カイラル効果に由来する散乱信号を観測した。電気分極の反転によって信号も反転することから、通常の磁気散乱ではないことは明らかである。また、X線共鳴散乱における磁気カイラル散乱強度も、磁化の温度依存性とほぼ一致しており、トロイダル・モーメントの寄与を想起させる。今後、磁気カイラル効果のメカニズムをより詳細に議論するためには量子論の構築が必須であり、群論により得られる現象論的な理解にとどまらず、電子論的な機構にまで立ち入って考察する。さらに、空間・時間反転対称性が破れている様々な物質系においても探索を進めていく。

研究成果

• [文献書誌] Y.Ogawa, Y.Kaneko, J.P.He, X.Z.Yu, T.Arima, Y.Tokura: "Magnetization-Induced Second Harmonic Generation in a Polar Ferromagnet"Physical Review Letters. 92(4). 047401 (2004)
• [文献書誌] T.Kimura, T.Goto, H.Shintani, K.Ishizaka, T.Arima, Y.Tokura: "Magnetic control of ferroelectric polarization"Nature. 426. 55-58 (2003)
• [文献書誌] 小川佳宏, 山田浩之, 川崎雅司, 十倉好紀: "三色磁性超格子の非線形磁気光学効果"固体物理. 38. 687-693 (2003)