磁気記録、テラヘルツ周波数での非線形フォノニクス

物質の機能特性を光で制御することが、現近代における凝縮系物理学と材料科学の壮大な目標の1つでもあります。今現在、新しい研究が、物質中の原子位置の超高速光誘導調節が、どのようにしてそれの磁化を制御するのかを実証しています。ハンブルグの自由電子レーザー研究センターのマックスプランク固体物理学研究所の研究者が磁性結晶中の格子振動対を励起するためにテラヘルツ光パルスを使用しました。この光のショートバーストが、格子イオンを自身の平衡位置の周囲を回転させ、コヒーレントに磁気波を駆動するために、電子スピンにかかる超高速有効磁場としての役割を果たしています。

この発見は、光が物質とどう相互作用しているかの重要な特徴を説明し、テラヘルツ周波数での磁化制御の新しいアプローチを確立、今回の研究を磁気記憶技術と潜在的に関連付けています。この研究結果は、Nature Physics誌に掲載されています。

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材料の超高速振動制御

Light-driven atomic rotations excite magnetic waves

Understanding microscopic interactions and engineering collective responses to tailor material functionalities has been a driving force for the fields of condensed matter physics and materials science, both from a fundamental and technological point of view. Conventional static approaches to modify and control material properties include chemical substitution, i.e. the replacement of particular atoms in the crystal lattice by atoms of another chemical element, or the application of external perturbations like pressure and magnetic fields.

「ミクロスコピックな相互作用の理解、材料機能性調整のための集団応答の設計は、基本的かつ技術的な観点から、凝縮系物理学と材料科学の原動力になっています。材料特性を修正・制御するための従来の静的法は、化学的置換を含みます。すなわち、他元素原子または圧力や磁場のような外部摂動印加による結晶格子中の特定原子交換です。」

A conceptually different path consists in the ultrafast dynamical modulation of material parameters. In particular, the direct excitation of lattice vibrations in solid-state systems (collective excitations of the ions called phonons) by ultra-short and ultra-intense terahertz light pulses has proven to be an extremely efficient route to material control. The Hamburg group has been playing a pioneering role in this technique, called nonlinear phononics. Recent successful examples include the control of insulator–metal transitions, melting of magnetic order and enhancement of superconductivity.

「概念的に新しい道筋が、材料変数の超高速動的変調にあります。特に、超短波かつ超高強度のテラヘルツ光パルスによる、固体系における格子振動の直接励起(フォノンと呼ばれるイオンの集団励起)は、材料制御への著しく効果的な道筋である事が証明されています。前記のハンブルグのグループが、非線形フォノニクスと呼ばれている、この技術分野で、先駆的な役割を演じています。最近の成功例は、絶縁体・金属遷移の制御、磁気秩序の融解、超伝導のエンハンスメントを含んでいます。」

The origin of this powerful tool lies in the nonlinear nature of the crystal lattice. Indeed, a phonon driven by laser light to large amplitude can transfer energy to other lower-frequency vibrational modes. This nonlinear phonon–phonon coupling results in a transient, directional and selective distortion of the crystal structure, i.e. specific atoms of the lattice move temporarily to different positions. This effect is of extreme relevance for complex materials, in which macroscopic electronic properties are strongly tied to the atomic arrangement.

「この強力なツールの起源は、結晶格子の非線形にあります。実際、大振幅へレーザー駆動されたフォノンは、他のより低い周波数モードにエネルギーを伝達することができます。この非線形フォノン間結合が、言ってみれば、格子の特定原子が一時的に別の場所へ移動する、結晶構造の一時的指向性選択的歪みを生じさせます。この効果は、巨視的な電子物性が強力に原子配列に結び付いている複雑な物質に深く関わっています。」

イオンループのよるスピン操作

In an effort to generalize these principles and show that the coherent driving of phonons can not only affect the crystal structure but also directly control other properties like magnetization, an international team of scientists from Germany, the Netherlands and the USA studied terahertz stimulation of the magnetic material erbium orthoferrite (ErFeO3).

「これらの原則を一般化し、フォノンのコヒーレントな駆動が、結晶構造に影響を与えるだけではなく、磁化のような他の性質を直接制御できることを証明するために、ドイツとオランダとアメリカの国際的な科学者チームは、磁性体エルビウムオルソフェライトのテラヘルツ刺激を研究しました。」

エルビウムオルトフェライトでもいいみたいです。

First, the researchers excited a single phonon and observed the typical signature of nonlinear phononics, i.e. the energy transfer to lower-frequency lattice vibrations. The key idea to go beyond this “conventional” observation was to combine the action of two different orthogonal phonons at the same time. Due to the modes’ slightly different frequencies, the atoms of the crystal lattice started rotating about their equilibrium positions resulting in a circularly polarized phononic field.

「最初に、研究者は、単一フォノンを励起し、非線形フォノニクス、すなわち、低周波数格子振動へのエネルギー伝達の典型サインを観測しました。この従来型の観測以上のことをするための主要なアイデアは、2つの異なる直交するフォノンの動きを同時に組み合わせることでした。若干違った周波数モードにより、結晶格子の原子は自身の平衡位置の周囲を回転し始め、円偏光したフォノン場を生じさせました。」

This movement dynamically modulated the electric field felt by the electrons, perturbing their orbital motion. As a consequence, a high-frequency magnetic wave – a collective excitation of the electron spins – was excited. These results can be viewed as the generation of an ultrafast magnetic field pulse by the circular phonons.

「この運動が、電子が受ける電荷を動的に調節し、それらの軌道運動を乱しました。結果として、高周波磁気波、電子スピンの集団励起、が励起されました。これらの結果は、円形フォノンによる超高速磁場パルス発生として見なされ得ます。」

“This is the first time that a direct and coherent control of spins by lattice vibrations has been observed,” says Tobia Nova, Ph.D. student at the MPSD in Hamburg and first author of the paper. The experiment successfully demonstrates that it is possible to transfer energy between driven phonons and magnetic excitations while “distorting” the spin ordering of a material, thus leading to an ultrafast control of its magnetization.

「”これが、格子振動による、直接的かつコヒーレントなスピン制御が観測された初めての機会です。”と論文の筆頭著者が言っています。実験が、物質のスピン秩序化を歪めて、それの磁化の超高速制御をもたらしている間、駆動されたフォノンと磁気励起間のエネルギー転送が可能であることをうまく立証しています。」

実用化へのさらなる研究

The magnetic wave amplitude scales quadratically with the terahertz electric field strength, implying that a moderate increase in the field strength may lead to immense phonon-driven magnetic dynamics and possibly toward magnetic switching. As the effect operates at terahertz frequencies, it might become applicable in new devices that operate at such high speeds.

「磁気波振幅は、テラヘルツ電場強度で二次関数的に拡大し、電場強度の中程度の増加が、非常に大きなフォノンに駆動された磁気動力学と、もしかすると磁気スイッチングへ導く可能性があります。その効果がテラヘルツ周波数で働くので、当該周波数で動作する新しいデバイスに適用できるようになるかもしれません。」

磁気メモリなんかが5年以内に主流になりそうな勢いだし、磁気記憶技術が今後飛躍的に進歩することが期待されています。

Furthermore, possible applications of circularly polarized phonons might extend well beyond magnetization control. A time-dependent perturbation in the form of circularly polarized light has been shown to manipulate surface properties in a new class of materials, so-called topological insulators, and further has been predicted to induce analogous topological states in graphene. In a similar fashion, phonon-driven Floquet physics might be induced by lattice rotations.

「さらに、円偏光フォノンの可能な用途が、磁化制御をはるかに越えて広がる可能性があります。円偏光形状における時間依存型摂動は、位相絶縁体と呼ばれる、新しい種類の材料の表面特性を操作することが証明されていて、加えて、グラフェン中に類似の位相状態を生じさせることが予測されています。同じ方法で、フォノン駆動フロケ物理学が、格子回転によって誘導されるかもしれません。」

グラフェンや新材料に円偏光フォノンが利用できるみたいです。テラヘルツ周波数を利用する技術は今後主流になっていきそうですが、それによって、新たなエレクトロニクスや物理学の分野が誕生する可能性がありそうです。

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