レーザー光や高周波電場・磁場などの外力により、静止していたスピン(磁力の源)が歳差運動を起こすことが知られています。(a)の一斉歳差運動(非伝搬スピン波)も広義のスピン波とみなされていますが、(b)に示したような空間的に波動を形成するスピン波(伝搬スピン波)が近年、特に注目されています。今回の研究では、(b)の「伝搬スピン波」が観測されました。(a)一般的な磁性体(フェロ磁性体)と(b)今回の研究で用いたフェリ磁性体のスピン(磁石)配向の概念図。フェリ磁性体は希土類元素(Gdなど)と遷移金属元素(Fe、Coなど)でスピンの向きが互いに反平行になりますが、各サイトの磁力の大きさの違いによって正味の磁力を生じます。合金組成や温度により、各サイトの磁力が釣り合って正味の磁力を持たない補償状態も存在します。パルスレーザー光が照射された時に予想されるGd–Fe–Co薄膜のスピン運動の概念図。(a)Gd含有量26%の試料では角運動量補償温度が室温より高く、歳差運動の抑制因子が大きくなる温度領域を通過するため、高速なスピン反転が実現されます。(b)Gd含有量が22%の試料では角運動量補償温度が室温より低く、レーザー励起による歳差運動の抑制が小さいため、スピン反転時間は間延びします。Gd–Fe–Co薄膜系におけるこれまでの研究では、(a)の条件での高速スピン反転が注目されていましたが、今回の研究では、(b)の条件において巨大なスピン波を新規に見出しました。Gd–Fe–Co薄膜にレーザーパルス光を照射した直後のスピンの向きの時間経過を示す図。1ps(1ピコ秒)は1兆分の1秒。(a)速やかなスピン反転が期待されるGd含有量26%の薄膜では数100ピコ秒でスムーズなスピン反転が完了しています。(b)Gd含有量22%の試料では、同心円状にスピンの向きが分布した挙動が観測されています。パルス照射から十分な時間が経過した後は((a)、(b)各図の右下)、(a)Gd26%試料では綺麗なスピン反転が起きています。(b)Gd22%試料ではほとんどスピン反転が起こらず、大部分の領域で元のスピン方向に戻っています。Gd22%含有のGd–Fe–Co薄膜におけるレーザーパルス光照射後1500ピコ秒でのスピンの分布。上部図の挿入画像が得られた磁気像、上部プロットがレーザー照射中心から半径方向(O–A)の磁気シグナルのラインプロファイル、下部図がラインプロファイルを基に算出したスピンの向きの分布を示しています。歳差運動角約15~20°の伝搬スピン波が生成されていることが分かります。今回の研究で用いたレーザーパルスは、約0.1ピコ秒(1ピコ秒は1兆分の1秒)の非常に短いパルス幅を持ち、この時間幅に凝縮された桁違いに強いレーザー光が試料に照射されます。スピン電子が自転のような運動をするときに生成される運動量のこと。原子の集合体においてスピンの向きが整列することにより、いわゆる「磁力」が発生します。スピン波スピンは通常、一定の方向を向いていますが、マイクロ波やレーザーパルス光などの外力を与えると静止方向を軸として一斉に歳差運動を始めます。これは広義のスピン波(非伝搬スピン波)と言えます。同じ周波数で歳差運動を始めた各スピン間で位相のずれを持ちながら歳差運動が伝播すると有限の波長を持つ波動が形成されます。これが狭義のスピン波(伝搬スピン波)です。詳細な説明については(図1)をご覧ください。大型放射光施設SPring-8兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高性能の放射光を生み出す理化学研究所の施設で、その運転と利用者支援などは高輝度光科学研究センターが行っています。GeV(ギガ電子ボルト)に由来します。電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向が曲げられた時に発生する、細く絞られた強力な電磁波(放射光)を用いて幅広い研究が行われています。今回の研究では、放射光の瞬時に瞬く性質(パルス性)を活用して、パルスレーザー光により瞬間的に励起されたスピンの性質を、ストロボ撮影のような測定で捉えました。「ピコ」は基準となる単位名に冠し、その一兆分の一を表す語。1ピコ秒は1兆分の1秒を表します。軟X線固体分光ビームラインBL25SU「ビームライン」とはSPring-8などの放射光施設において、発生した放射光を実験装置まで導く光路のこと。実験目的に合ったエネルギーをもつ光を取り出す装置、試料上に光を集光する装置などを経て、実験装置に放射光が導かれます。軟X線は電子との相互作用が強いため、物質中の特定元素の電子を選択的に励起したり、この励起現象を利用して物質の磁気的性質を調べたりする光として特に有効です。microscope)は、電子顕微鏡の一種。試料に光を照射した際に、試料の表面から放出される電子(「光電子(こうでんし)」と呼ばれます)を捉えて電子の性質の空間分布を観測します。今回の実験では、試料に照射する光として軟X線を用いることで、スピンの向きの空間分布を捉えました。交互に積層された薄膜において、磁性層中の相対的なスピンの向きに依存して電気抵抗が大きく変化する現象。magnetoresistance)効果とも呼ばれます。Fert博士のグループが、抵抗変化率が数10%におよぶ巨大現象になることを見出しました。両博士は2007年にノーベル物理学賞を受賞しました。