Communications」にオンライン公開されました。Tserkovnyak教授らの研究グループと共同で、テラヘルツ帯の反強磁性共鳴によるスピンポンピング効果(磁化ダイナミクスからスピン流への変換現象)を実証しました。これまでスピンポンピング効果は、強磁性体におけるギガヘルツ帯の磁化ダイナミクスに付随して観測されていましたが、テラヘルツ帯の磁化ダイナミクスを有する反強磁性体では観測されていませんでした。Pd)のテラヘルツ透過吸収測定を行い、その共鳴スペクトル線幅の変化からスピンポンピング効果を実証し、その多寡を見積もりました。利用した、テラヘルツ帯で動作可能なスピントロニクスデバイスへの応用が期待されます。概要テラヘルツ光・電磁波の利用は将来の大容量通信やセンシング技術を担う重要技術として,近年注目を浴びています。ポスト5Gにおける通信周波数はテラヘルツ帯域が想定されており、これらの周波数帯に対応するデバイスの開発・創製が早急に望まれています。ギガヘルツ帯に共鳴周波数を持つ強磁性体は従来のマイクロ波デバイスに多用されています。テラヘルツ帯においてはほとんど応答しないため、これらのデバイス応用には強磁性体は不向きです。一方で、反強磁性体における磁気共鳴(反強磁性共鳴)周波数は交換結合に起因する交換磁場に比例するため、強磁性体に比べて圧倒的に高くなり、テラヘルツ帯に至ることが知られています(図1)。近年様々なテラヘルツ材料が提案されていますが、反強磁性体を利用するメリットとしてスピントロニクスとの親和性が挙げられます。“テラヘルツ”スピントロニクスデバイスへと展開できる可能性を秘めています。このような魅力的な可能性があるにも関わらずテラヘルツスピントロニクスを見据えた反強磁性ダイナミクスの実験的研究はほとんどありませんでした。本研究では、1THz付近に共鳴周波数を有する反強磁性体・酸化ニッケル(NiO)に着目し、反強磁性磁化ダイナミクスからスピン流への変換現象(スピンポンピング効果)について調査しました。Pd)を焼結法により作製しました。これらの試料に対して、図2(a)に示したようなテラヘルツ透過吸収測定を周波数ドメインにおいて行いました。この試料系におけるスピンポンピング効果の理論概念図を図2(b)に示します。Pd)に注入されて、重金属中にスピン蓄積が起こります。差、すなわち重金属でのスピン散逸の大きさに比例して増加することが理論的に知られています。グラニュラー物質中の重金属の割合を増加させてスピン散逸が増加するに従いNiOの磁化ダイナミクスのダンピング定数は大きくなることが予想できます。一般に、反強磁性磁化ダイナミクスのダンピング定数は、反強磁性共鳴のスペクトル線幅から見積もることができます。テラヘルツ透過吸収測定から得られた(NiO)1-xPtxの共鳴スペクトルを図3に示します。1THzにNiOの反強磁性共鳴による吸収ピークを観測しました。共鳴周波数はPtの組成比xに因らず一定であるのに対して、共鳴スペクトル線幅はxの増加に従って大きくなっていることが分かりました。これは、スピンポンピング効果の理論予想と一致しており、確かにテラヘルツ帯の反強磁性スピンダイナミクスにおいてもスピンポンピング効果が起こることを実証した結果です。5nm−2という値が得られました。これらは、強磁性体におけるスピンポンピング効果と同程度の大きな値です。本成果は、反強磁性共鳴を利用したテラヘルツ帯におけるスピンポンピング効果(磁化ダイナミクスからスピン流への変換現象)を世界に先駆けて実証したものであり、反強磁性磁化ダイナミクスとスピン自由度の相互作用の一端を明らかにしました。特質を積極的に利用した反強磁性スピントロニクスの研究が盛んに行われています。様々な興味深いスピン物性が明らかになっており、反強磁性体を用いたスピンメモリデバイスなども提案されています[参考文献]。本成果で実証した反強磁性ダイナミクスによるスピンポンピング効果は、様々な形で発現する磁化ダイナミクスと電子スピンの相互作用のあくまで一端ですが、テラヘルツデバイスにおける反強磁性体の可能性を示した重要な成果です。今後は、反強磁性体に内在するスピン自由度とテラヘルツ電磁波との相互作用を積極的に利用した新規な“テラヘルツ”スピントロニクスへと展開していきます。:電子の軌道の重なりにより、磁気モーメントを担う電子スピン間に作用する非常に強い結合のことです。強磁性体の場合、交換結合は隣り合う磁気モーメントを平行に揃えます。反強磁性体の場合は隣り合う磁気モーメントを反平行に揃えるように働いています。この結合エネルギーを仮想的に磁場に変換したものを交換磁場と呼びます。反強磁性体NiOの場合1000テスラにも達します。実現を目指す研究分野です。スピン軌道相互作用:電子の軌道角運動量と電子のスピンとの相互作用。電子スピンの流れであるスピン流が散逸される要因となります。スピントロニクスの研究が国内外問わず盛んにおこなわれています。