研究成果のポイント・Gd-Fe-Co合金から作られた磁性薄膜において、一定の条件を満たした場合に、光励起によって巨大な磁気の波が伝搬することを発見しました。・従来の10倍以上の振幅で伝搬する磁気の波を可視化できたのは本研究が初めてです。(阪大院工)、日本大学(日本大)、および愛知医科大学(愛知医大)は共同で、磁性合金薄膜にパルス光※1を照射することにより、これまでにない巨大な磁気の波が生成されることを発見しました。この成果は、磁気の変調を利用した素子や通信デバイスの開発に寄与するものと期待されます。近年、物質の電子とスピン※2の両方の自由度を活用する電子工学「スピントロニクス」が精力的に研究されており、その中で、物質中に磁気の波(スピン波※3)を発生させて情報伝達に利用するという新規技術の応用が期待されています。この研究では、大型放射光施設SPring-8※4の瞬時に光る放射光を用いて、レーザーパルス光をGd–Fe–Co合金と呼ばれる磁性体の薄膜に照射した直後のスピンの振る舞いを「時間・空間に分けて」観測したことにより、これまでの10倍程度の振幅を持つ「巨大な」スピン波を発見し、直接的に観測することに成功しました。パルス光を用いてスピン波が励起される現象自体はこれまでも知られていましたが、これまでにない巨大な現象として観測できたことで、スピン波を用いた磁気通信技術の実用化に寄与するものと期待されます。Express誌にオンライン掲載されました。現代のエレクトロニクスにおいては、物質のもつ電荷(電気の源)だけでなく、スピン(磁気の源)の自由度を活用した電子工学分野「スピントロニクス」が注目を浴びており、情報産業の発展にも寄与しはじめています。近年では、新規のスピントロニクスデバイスとして、光とスピンの相互作用を活用したスイッチング素子や、「磁気の波」であるスピン波を利用した磁気通信技術の応用が有望視されており、世界的に研究が展開されています(スピン波の概念図は図1に示す通りです)。ユーリッヒ研究センターのグループとともに、東北大のグループによって製作された、合金組成等の異なる数種類のGd–Fe–Co磁性合金薄膜を試料として、約0.1ピコ秒※5の超短時間で発生するレーザーパルスを照射した時の高速のスピン運動(スピンの向きの変化)の現象を、SPring-8の瞬間的(約50ピコ秒)に光る軟X線を用いて調べました。Gd–Fe–Co合金は光と磁気の相互作用が大きい物質であり、レーザーパルス光を照射することでスピンの向きを「反転」できることは既に知られていましたが、今回の研究では、Gd–Fe–Co合金の組成をうまく調整することで、「伝搬スピン波(図1(b))」を発生させることもできました。この伝搬スピン波は、近年報告されているスピン波の10倍以上の振幅を持つことが分かりました。研究内容と成果Gd–Fe–Co合金は、希土類金属であるGd元素と遷移金属であるFe、Co元素のスピンが互いに逆向きになる「フェリ磁性体」と呼ばれる磁性体です(図2)。Gd–Fe–Co合金はその組成に応じて、GdサイトとFeCoサイトの磁気的な運動量が釣り合う固有の温度(角運動量補償温度)を持っています。パルスレーザー光を照射したときにGd–Fe–Co薄膜の温度が角運動量補償温度をまたいで変化するかしないかにより、スムーズなスピンの反転が行われるか、磁石の歳差運動(スピン波)が発生して緩やかなスピンの反転が起こるかどうかが決まります(図3)。低い組成条件では(Gd含有量22%)、緩和が単純に間延びしたスピン反転が起こると予想していましたが、その予測に反し、スピンが同心円状に整列しながら半径方向に沿って変調するという奇妙な振る舞いが観測されました(図4(b))。この振る舞いの起源について、阪大院工と愛知医大のグループとともに理論的解明を行った結果、スピンの歳差運動の位相が空間伝搬する、いわゆる「伝搬スピン波」が発生していることが判明しました(図5)。その他の比較対象実験により、このスピン波は図3(b)に示したモデルと矛盾なく非伝搬スピン波が共鳴的に励起されていること、しかし、「空間伝搬(位相のずれ)」の引き金となっているのは内的・共鳴的な起源によるものでなく、レーザーによって付加された熱の空間的不均一によって外的・非共鳴的に引き起こされた位相変化であることが分かりました。図4(a)、(b)の一番右に示した通り、スピンの反転・変調が完了した後の磁石配向を観察すると、単純なスピン反転が起こった組成条件(Gd26%)のものと比べ、スピン波が励起された組成条件(Gd22%)ではほとんど磁石の向きは反転しておらず、レーザーによって付与されたエネルギーの大部分がスピン波の励起によって消費されたことが分かります。レーザーパルス光の照射により伝搬スピン波が発生することは、これまでもフェリ磁性の酸化物やフェロ磁性金属などで実証されてきましたが、これらの物質系で励起されたのは歳差運動角で0.1~1°程度と微弱な振幅のスピン波でした。今回のGd–Fe–Co薄膜で観測されたのは約20°の歳差運動角を持つ「巨大な」スピン波でした。本研究成果の意義フェリ磁性の金属合金であるGd–Fe–Co薄膜は、これまでは、光パルスを用いた「超高速のスピン反転」を引き起こす媒体として注目されていました(図3(a))。歳差運動が励起されるような組成は、高速スピン反転の観点からはむしろ好ましくない条件とされていました(図3(b))。本研究ではその条件において、「巨大なスピン波伝搬」という全く新しい現象を見出しました。今回観測されたスピン波は、外的要因(主に熱勾配)によって強制的に伝搬が誘起された現象であるものの、伝搬波の形を持つことに変わりはなく、スピン運動の伝達機構に新たな視点を与えるものと位置付けられます。このスピン波の伝搬は熱伝導特性と強くリンクしていることなどから、音波(物質の振動)と結合した新奇なスピン波である可能性もあり、この視点から更なる理論的検証を進めています。以上のように、今回観測された現象からは数々の新規性が見出されていますが、何よりも、これまでの10倍以上の振幅をもつスピン波伝搬現象を発見した点は特筆すべきといえます。8も、同様のメカニズムに基づいた(小さな)磁気抵抗効果が発見されたほぼ同時期に、別のグループにより、その10倍以上に及ぶ巨大現象が発現できることが報告され物理業界に大きなインパクトが走り、瞬く間に産業応用へと発展したからです。今回の現象の発見が、スピン波を利用した光–磁気スイッチング素子や高速磁気通信の実用化に繋がることを大いに期待しています。