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レーザーで生まれたマグノン、エネルギーを結晶に渡すまでナノ秒

レーザー照射後、銅酸化物の磁気秩序は約70フェムト秒で部分的に乱れる一方、スピンのエネルギーが結晶格子に渡るのはナノ秒単位です。時間・運動量分解X線散乱や量子運動論シミュレーションなどを組み合わせ、電子・スピン・格子の励起が移り変わる過程を追いました。

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研究の答え

重要なポイント

レーザー照射後、銅酸化物の磁気秩序は約70フェムト秒で部分的に乱れる一方、スピンのエネルギーが結晶格子に渡るのはナノ秒単位です。
時間・運動量分解X線散乱や量子運動論シミュレーションなどを組み合わせ、電子・スピン・格子の励起が移り変わる過程を追いました。
マグノンの緩和を調整する研究の手がかりになりますが、デバイスへの応用や消費エネルギー削減が実証されたわけではありません。

Illustration of a laser pulse triggering collective spin excitations in an antiferromagnetic material — What did the Paul Scherrer Institute study led by Arnau Romaguera and Hiroki Ueda, published online in Nature Communications on September 29An illustration of laser-triggered collective excitations in an antiferromagnet. Image: Paul Scherrer Institute PSI / Hiroki Ueda
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レーザーの短いパルスは、物質の磁気秩序を瞬時に乱します。しかし、そこで生じたスピンのエネルギーが結晶格子へ移るには、ずっと長い時間がかかることがあります。銅酸化物を調べた研究チームは、時間と運動量を分解するX線測定を使い、電子・磁気・格子の励起のあいだでエネルギーがどう受け渡されるかを追いました。その結果、マグノンが長く残る理由に迫りました。ただし、実用技術が実証されたという話ではありません。 3 47

フェムト秒からナノ秒へ——励起の時間差

実験では、まず短い光パルスを銅酸化物に照射し、電子を励起して、整列していた磁気構造を乱しました。このとき生じるのが、スピンの集団的な励起であるマグノンです。

その後の変化は、異なる時間スケールで進みます。磁気秩序は約70フェムト秒で部分的に崩れ、マグノン同士の散乱とエネルギーの再分配はピコ秒の間に進行。マグノンから、結晶格子の振動であるフォノンへのエネルギー移動はナノ秒単位で起こります。磁気秩序の回復に関しては、約7ナノ秒の時定数が報告されています。 3 33

ここで大切なのは、「磁気秩序が乱れること」と「スピン系からエネルギーが失われること」は同じではない点です。マグノンは最初の状態のようなまとまりを失っても、エネルギーを保ったままスピン系にとどまることがあります。研究概要も、マグノンが結びついた複数の系のあいだのエネルギー移動を仲介し、その動きが段階的な時間構造を持つことを示しています。 33 47

相互作用が強くても、エネルギー移動が遅い理由

意外なのは、銅酸化物では磁気と格子振動の相互作用が強いとされるのに、スピン系のエネルギーがすぐ格子へ流れ出すわけではないことです。相互作用の強さだけでは、エネルギー移動の速さは決まりません。散乱が起きるには、エネルギーと運動量が保存される組み合わせが必要です。 3 4

マグノンとフォノンは、エネルギーと運動量の関係、つまり分散関係が異なります。その違いによって、両方の保存則を満たしながらエネルギーを交換できる状態の組み合わせが限られると、マグノンからフォノンへの散乱は起こりにくくなります。この「運動学的なボトルネック」が、マグノンがスピン系の中でエネルギーを再分配した後も、格子への受け渡しに時間がかかる理由の一つと考えられます。 47

X線で、目に見えない変化を追う

研究チームは、光で物質の状態を変える「ポンプ」と、その後を調べる「プローブ」を組み合わせました。光パルスで励起した後、時間をずらしてX線を当て、物質の応答を測定します。論文概要によると、時間分解共鳴散漫散乱に、別の時間分解X線測定と量子運動論シミュレーションを組み合わせています。 47

散漫散乱は、整った磁気構造からの信号だけでなく、磁気揺らぎについても情報を与えます。磁気秩序の測定とあわせることで、スピン励起の状態がどう変わるかと、秩序だった磁気状態がどう回復するかを区別しやすくなります。スイスのポール・シェラー研究所（PSI）は、SwissFELを使った新しい手法で、電子・磁気・格子の励起の相互作用を明らかにすることを研究の狙いとして紹介しています。 3 21

将来の応用につながる可能性、まだ示されていないこと

今回の結果は、マグノンとフォノンのエネルギー・運動量の関係など、エネルギー移動を決める条件を変えることで、スピンの緩和を調整できる可能性を示します。スピン励起を制御する方法は、将来のスピン情報技術に向けた研究課題の一つです。 21 47

一方で、マグノンが長く残ることだけで、論理演算に役立つ信号になるとは限りません。報告された磁気秩序の回復時間から、個々のマグノンのコヒーレンス寿命や、実際に動作する論理演算、実用可能な材料、消費エネルギーの低減までが示されたわけではありません。そうした成果には別途、デバイスとしての検証が必要です。今回の研究が示したのは、励起された磁性材料の中でエネルギーがどう移るかを、より詳細に捉えたことです。 21 47

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