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2019 年度 実績報告書

反強磁性体における電気磁気光学特性の電場制御に関する研究

研究課題

研究課題/領域番号 19H01847
研究機関東京大学

研究代表者

木村 健太  東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 助教 (70586817)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2022-03-31
キーワード電気磁気光学効果 / 電気磁気効果 / 反強磁性体 / マルチフェロイクス / 電場制御 / 分光
研究実績の概要

本研究は、正味の磁化を持たないため機能性に乏しいと思われてきた反強磁性体において、空間反転対称性と時間反転対称性の破れがもたらす電気磁気効果に起因した新奇な光学特性(以後、電気磁気光学特性)を実験的に見出し、さらに、この電気磁気光学特性の電場制御の実現と解明することを目指すものである。本年度は、スピンの向きが僅かな摂動でも変化しやすい「弱磁気異方性」の反強磁性体を対象として、単結晶合成と電気磁気光学効果の有無の検証、さらには電気磁気光学特性に対する電場印加効果の追究を行った。得られた主要な成果を以下に記す。

銅イオンのスピンが磁気四極子的に配列している反強磁性体Pb(TiO)Cu4(PO4)4では、電気磁気光学効果により光の進行方向の正負に依存した線二色性が発現し、その符号が磁気四極子の符号と対応することが分かっている。本研究では、この符号対応を利用し、偏光顕微鏡という簡便な手法により磁気四極子ドメインの空間分布を可視化することに成功した。さらに、この手法を用いて、磁気四極子の空間分布が外部電場により再配列する様子を実空間観察することに成功した。

弱磁気異方性に着目した物質探索を行い、近赤外領域で20%を超える大きな方向二色性を示すコリニア反強磁性体を発見した。電場印加が可能な透過分光測定系を構築し、これを用いた実験により方向二色性の符号が電場で反転することを実証した。さらに、上記のPb(TiO)Cu4(PO4)4と同様の偏光顕微鏡を用いた実験により、反強磁性ドメインおよびその電場による再配列を実空間観察することに成功した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

磁気四極子型とコリニア型という別種のスピン配列をとる二種類の反強磁性体において電気磁気光学特性の電場制御に成功したことから、研究は順調に進展しているといえる。さらに、偏光顕微鏡により反強磁性ドメインが可視化できるという今回の発見は、反強磁性ドメインの電場応答ダイナミクスの追跡を可能とする特筆すべき成果である。ゆえに、研究は当初の計画以上に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

電気磁気光学特性を示す反強磁性体の物質探索を引き続き行い、高性能(弱電場、巨大、高速)な電場応答の実現を目指す。また、複数の反強磁性体における実験結果をベースとして、電気磁気光学特性の高性能な電場制御を実現するための主要因子を抽出し、その起源を考察する。また、今回、偏光顕微鏡により反強磁性ドメインの電場応答を実空間観察することが可能となったため、ドメインの観点からも高性能応答の起原に迫る計画である。

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 3件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Magnetic structure of the square cupola compound Ba(TiO)Cu4(PO4)42020

    • 著者名/発表者名
      Rasta Riho、Heinmaa Ivo、Kimura Kenta、Kimura Tsuyoshi、Stern Raivo
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 101 ページ: 054417-1-10

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.101.054417

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Magnetoelectric Behaviors in Magnetic-Field-Induced Phases of Pb(TiO)Cu4(PO4)42019

    • 著者名/発表者名
      Kimura Kenta、Kimura Shojiro、Kimura Tsuyoshi
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 88 ページ: 093707-1-5

    • DOI

      10.7566/JPSJ.88.093707

    • 査読あり
  • [学会発表] 電気磁気光学イメージングによる反強磁性ドメインの電場反転の可視化2020

    • 著者名/発表者名
      木村健太, 木村 剛
    • 学会等名
      日本物理学会第75回年次大会
  • [学会発表] パルス強磁場下における正四角台塔型反強磁性体Pb(TiO)Cu4(PO4)4の電気磁気光学効果2020

    • 著者名/発表者名
      勝吉司, 木村健太, Z. Yang, 小濱芳允, 木村剛
    • 学会等名
      日本物理学会第75回年次大会
  • [学会発表] Magnetelectric effect in the antiferromagnet Mn3Ta2O82020

    • 著者名/発表者名
      N. Yagi, K. Kimura, and T. Kimura
    • 学会等名
      The 20th Korea-Taiwan-Japan Symposium on Strongly Correlated Electron Systems
    • 国際学会
  • [学会発表] Optical magnetoelectric effect in antiferromagnetic Pb(TiO)Cu4(PO4)4 with square cupola clusters2020

    • 著者名/発表者名
      T. Katsuyoshi, K. Kimura, Y. Sawada, S. Kimura and T. Kimura
    • 学会等名
      SNU-PKU-U-Tokyo Joint Workshop on strongly correlated Materials
    • 国際学会
  • [学会発表] Nonreciprocal linear dichroism in a magnetoelectric antiferromagnet2019

    • 著者名/発表者名
      K. Kimura
    • 学会等名
      The 3 rd Asia-Oceania Conference on Neutron Scattering 2019 (AOCNS 2019)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 電気磁気光学効果を用いた反強磁性ドメインの観察2019

    • 著者名/発表者名
      木村健太, 木村 剛
    • 学会等名
      日本物理学会2019年秋季大会
  • [学会発表] 電気磁気効果を介した反強磁性ドメインのイメージングと制御2019

    • 著者名/発表者名
      木村健太
    • 学会等名
      CSRN-Tokyo Workshop 2019 「スピントロニクス新機能物質と巨大物性応答」
    • 招待講演
  • [学会発表] 正四角台塔系Pb(TiO)Cu4(PO4)4の強磁場ESRの偏光依存性2019

    • 著者名/発表者名
      水戸陵人, 赤木暢, 澤田祐也, 木村健太, 鳴海康雄, 木村剛, 萩原政幸
    • 学会等名
      日本物理学会2019年秋季大会
  • [学会発表] 正四角台塔型反強磁性体SrxPb1-x(TiO)Cu4(PO4)4の単結晶育成と電気磁気特性2019

    • 著者名/発表者名
      勝吉司, 木村健太, 浜根大輔, 木村剛
    • 学会等名
      日本物理学会2019年秋季大会
  • [学会発表] 定常磁場NMR測定による正四角台塔型反強磁性体Pb(TiO)Cu4(PO4)4の低磁場相の磁気構造観測2019

    • 著者名/発表者名
      井原慶彦, 荒島洸樹, 勝吉司, 木村健太, 木村剛
    • 学会等名
      日本物理学会2019年秋季大会
  • [学会発表] 反強磁性体Mn3Ta2O8における電気磁気効果の観測2019

    • 著者名/発表者名
      八木直輝, 木村健太, 木村剛
    • 学会等名
      日本物理学会2019年秋季大会

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公開日: 2021-01-27  

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