京大など、スピンの方向を非熱的に約1兆分の1秒で変化させることに成功

京都大学(京大)、千葉大学、大阪大学(阪大)、東京大学(東大)の4者は10月28日、物質内部でテラヘルツ(THz)波の磁場強度を増強させ、非熱的にスピンの方向を約1ピコ秒(1兆分の1秒)の時間内に変化させる方法を発見したと共同で発表した。

同成果は、京大 化学研究所の廣理英基准教授、同・章振亜博士研究員、同・金光義彦特任教授、同・丸山慶大学院生(研究当時)、千葉大大学院 理学研究院の佐藤正寬教授、同・金賀穂大学院生、阪大 レーザー科学研究所の中嶋誠准教授、東大 物性研究所の栗原貴之助教、東海大学工学部の立崎武弘 講師らの共同研究チームによるもの。詳細は、英科学誌「Nature」系の材料科学および材料工学全般を扱う学術誌「Nature Materials」に掲載された。

Beyond 5G/6Gなどの今後の通信周波数では、従来のギガヘルツを超えた光と電波の中間の周波数帯に位置する電磁波であるテラヘルツ(THz)波帯域(～10¹²Hz)を用いた高速通信技術の構築が期待されている。

また、次世代の低消費電力化・高密度化に向けてスピントロニクスによる情報ストレージ・情報通信関連技術が期待されている。スピントロニクス材料としては、隣り合うスピン(原子磁気モーメント)が反平行に規則正しく配列し、全体の磁化がゼロもしくは小さいことを特徴とする反強磁性体が注目されている。また同磁性体は、そのスピン集団運動モードがTHz波帯域に達していることから、THz波による反強磁性体のスピン制御が期待されているが、従来の可視光やTHz波によるスピンの励起方法では、長寿命の加熱効果が生じるため、高速なスピン制御が困難だったという。

そこで研究チームは今回、これまでに実現されている世界最高クラスの強度を実現できるTHz波発生技術と、独自に考案したメタマテリアル金属マイクロ共振器(金属メタマテリアル)を融合することで、高強度のTHz磁場パルスの実現を目指すことにしたとする。