時空間スピンダイナミクスの解明を可能にする軟X線超高速磁気イメージングの開発

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H01816
• 研究機関: 兵庫県立大学
• 研究代表者: 和達 大樹 兵庫県立大学, 物質理学研究科, 教授 (00579972)
• 研究分担者: 久保田 雄也 公益財団法人高輝度光科学研究センター, XFEL利用研究推進室, 博士研究員 (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, 主任研究員 (70571610)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: スピンダイナミクス / X線自由電子レーザー / 磁性体

研究実績の概要

本研究の目的は、ピコからフェムト秒で動作するスピンデバイス開発に向け、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によって、光や磁気によるスピンの励起状態であるマグノン、スキルミオン、磁化反転などの性質の発現機構解明を行うことである。
今年度具体的に得られた結果は下記のものである。放射光やX線自由電子レーザーの軟X線のコヒーレンスを用いることで、集光レンズを用いずに小角散乱の測定から実空間イメージングを行うコヒーレント回折イメージングを目指した測定を行った。特にSACLA BL1において、ダブルピンホールからの干渉縞を観測した。干渉縞のコントラストが100％に近く、SACLA BL1のコヒーレンスが極めて高いことを確認した。この光を用いて、磁性体試料Ta(5 nm) / [Gd (0.4 nm)/Fe0.9Co0.1 (0.34 nm)]80/Ta (10 nm)/Si3N4膜での測定を行った。54 eV (Co M端) で干渉縞に共鳴効果によると考えられる干渉縞の変化を観測した。この結果は磁区構造を反映したものと考えられる。さらに、磁区観察ユニットを用いたレーザー照射下磁区観察のセットアップを完成させた。レーザー照射後のGd22Fe70Co8薄膜の磁区観察から、レーザーの偏光に依存して磁区の違い明らかになった。磁化反転のダイナミクスの解釈のための実空間における重要な情報が得られている。これらの結果は、今後の空間と時間の両方を分解して観測する測定につながる重要な研究成果である。

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

これまで当初の計画通り順調に研究が進展している。特に、SACLAにおいて時間分解磁気円二色性と時間分解磁気光学カー効果の測定システムを確立したのみでなく、コヒーレント散乱を開始することができた。X線のコヒーレンスを用いることで、集光レンズを用いずに小角散乱の測定から実空間イメージングを行うコヒーレント回折イメージングへの重要な一歩となった。さらに、カー顕微鏡による測定により、実際にレーザー励起磁化反転が見られたのも重要であり、今後のさらなる測定につながる成果であった。物質探索も進んでおり、SPring-8やSACLAなどの国内の放射光X線とX線自由電子レーザーに加え、ドイツの放射光施設BESSY IIも用い、酸化物で初めての例となる、光による反強磁性から強磁性転移へのを測定することができた。

今後の研究の推進方策

今後は下記のように研究を進める。SACLAのビームタイムに加え、実験室レーザーも併用することで、時空間分解測定の確立を行う。具体的には、SACLAのBL1の軟X線パルスと、実験室レーザーの高次高調波発生の両方で、軟X線パルス光(フェムト秒スケール)を用いた時間分解測定を行うことを目標とする。また、SPring-8やSACLAなど、国内外の放射光X線とX線自由電子レーザーを用い、遷移金属化合物の光誘起による新しい電子状態を探索する。特に、強磁性体の磁化の制御、遷移金属化合物の価数の制御、などにおいて、光でどのように新しい物性が得られるかに注目する。

研究成果

• [雑誌論文] Ultrafast demagnetization of Pt magnetic moment in L10-FePt probed by magnetic circular dichroism at a hard x-ray free electron laser (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Yamamoto, Y. Kubota, M. Suzuki, Y. Hirata, K. Carva, M. Berritta, K. Takubo, Y. Uemura, R. Fukaya, K. Tanaka, W. Nishimura, T. Ohkochi, T. Katayama, T. Togashi, K. Tamasaku, M. Yabashi, Y. Tanaka, T. Seki, K. Takanashi, P. M. Oppeneer, and H. Wadati
  • 雑誌名: New Journal of Physics 巻: 21 ページ: 123010-1-9
  • DOI: 10.1088/1367-2630/ab5ac2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] X線自由電子レーザーによる時間分解共鳴磁気光学カー効果測定でみるCo/Pt薄膜の磁化ダイナミクスの励起光強度依存 (2020)
  • 著者名/発表者名: 山本航平
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] GdFeCo薄膜におけるレーザー励起磁化反転のKerr顕微鏡による観測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 安部弘隆
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] Co/Pt薄膜のCo L端磁気円二色性スペクトルの時間分解測定 (2020)
  • 著者名/発表者名: 山本航平
  • 学会等名: 第33回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] GdBaCo2O5.5薄膜で観測された光誘起強磁性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 和達大樹
  • 学会等名: 第33回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] X線自由電子レーザーによる時間分解共鳴磁気光学カー効果測定でみるCo/Pt薄膜の光誘起磁化ダイナミクスの励起強度依存性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 山本航平
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] GdBaCo2O5.5薄膜で観測された光誘起強磁性-反強磁性転移 (2020)
  • 著者名/発表者名: 和達大樹
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] X線自由電子レーザーを用いた元素選択的な光誘起磁性ダイナミクスの測定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山本航平
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] X線自由電子レーザーによる時間分解共鳴磁気光学カー効果測定でみるCo/Pt薄膜の光誘起磁化ダイナミクス (2019)
  • 著者名/発表者名: 山本航平
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] GdBaCo2O5.5薄膜で観測された光誘起強磁性-反強磁性転移 (2019)
  • 著者名/発表者名: 和達大樹
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Ultrafast x-ray study of charge/spin dynamics (2019)
  • 著者名/発表者名: 和達大樹
  • 学会等名: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Time-resolved x-ray measurements for observing spin/charge dynamics (2019)
  • 著者名/発表者名: 和達大樹
  • 学会等名: OptoX-NANO 2019 conference
  • 国際学会 / 招待講演