今回の研究では、マイクロ波分光法を用いてCSLを発現する典型物質として知られるキラル磁性結晶「CrNb3S6」が示す高周波特性が精査された。その結果、実験システムを改善して測定感度を向上させることで、磁気共鳴の高次モードが16GHzから40GHzという幅広い周波数帯で現れることを観測することに成功したとするほか、実験データの解析から、高次モードがCSLフォノンであることが実証されたとする。

  • キラル磁気ソリトン格子とその分散関係

    キラル磁気ソリトン格子とその分散関係。らせん周期に応じて、ブリルアンゾーンが変調される。青丸は磁気共鳴(波数≈0)の周波数が示されている (出所:大阪公立大Webサイト)

CSLフォノンは、従来の強磁性共鳴よりも高周波かつ広帯域な範囲で現れる。また、共鳴周波数を変化させるのに必要な磁場の変化幅は、1つ目の高次モードは50mT、2つ目の高次モードは6mT、3つ目の高次モードは3mTであり、小さな磁場変化で周波数を変調することが可能だという。実験に用いられたネットワーク・アナライザーの上限周波数は40GHzであり、これが検出限界となったが、理論解析によると、3つ目の高次モードは100GHzを超えて成長すると見積もられるとしている。

  • CSLフォノンの実験データ

    (左)CSLフォノンの実験データ。カラーコントラストで示されているのは、磁気共鳴の強度を磁場方向に微分した値。3つの高次モード(n=2,3,and4)が40GHzまで観測された。(右)理論解析に基づくCSLフォノンの出現領域。マーカーが実験点、実線が理論曲線 (出所:大阪公立大Webサイト)

また、実験データからCrNb3S6の反対称性相互作用(ジャロシンスキー・守谷相互作用)と、ハイゼンベルグ型の対称性交換相互作用の大きさが見積もられたところ、元素置換されたCrTa3S6結晶では、その物質パラメータからCSLフォノンの周波数がさらに高くなり、約450GHzに到達することが予測されたとする。

今回の成果について研究チームでは、サブテラヘルツ帯域まで磁気共鳴の周波数を変調するための新たな指導原理となるとしている。

また、サブテラヘルツ帯域で動作可能な高周波エレクトロニクス材料として次世代通信システムの技術開発に貢献することも期待されるとしており、今回は装置の性能限界である40GHzまでの観測だが、今後はより高周波で観測できるよう研究を進めていくとするほか、物質探索を進めていくことで、室温動作や減衰特性の向上が期待できるとしている。