特殊な磁石の磁区パターンを可視化 次世代デバイスへの応用も：電場を与えると磁壁が移動

大阪公立大学と東京大学の研究グループは、光学顕微鏡を用いて、擬一次元量子反強磁性体「BaCu2Si2O7」の磁区パターンを可視化するとともに、磁壁を制御することに成功した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

光学顕微鏡を用い、試料を簡便かつ短時間で観察

　大阪公立大学と東京大学の研究グループは2024年8月、光学顕微鏡を用いて、擬一次元量子反強磁性体「BaCu₂Si₂O₇」の磁区パターンを可視化するとともに、磁壁を制御することに成功したと発表した。

　反強磁性体は、通常だとスピンの向きがバラバラだが、磁気転移温度以下になると、隣り合う電子のスピンが互いに反対方向に並ぶ。この時、単一の試料内に磁区Iと磁区IIの状態が混在するという。ただし、スピンの向きは完全に定まっておらず「量子揺らぎ」と呼ばれる揺らぎの状態である。

　反強磁性体の中でも、BaCu₂Si₂O₇は量子揺らぎが顕著に表れるという。小さなスピン量子数（S＝1/2や1）を持った磁性イオンがチェーン状に配列している。ただ、磁気転移温度が低く、スピンの秩序化成分も小さいため、従来の手法で反強磁性体の磁区を観察するのは難しかった。

　研究グループはこれまで、「方向二色性」と呼ばれる光学現象を用いれば、一部の反強磁性体で磁区の可視化が可能なことを見いだしてきた。そこで今回は、BaCu₂Si₂O₇に着目した。この物質は、最小のスピン量子数（S＝1/2）を持つ銅イオン（Cu²⁺）がジグザグのチェーン状に並び、イオンのジグザグ配列とスピンの上下方向の配列が組み合わさることで対称性が破れ、方向二色性が発現すると考えたからだ。

方向二色性により反強磁性磁区を可視化［クリックで拡大］ 出所：大阪公立大学他

　実験では、BaCu₂Si₂O₇の光学的性質を調べ、方向二色性が現れる光の入射方向や波長を突き止めた。その上で、光学顕微鏡により単結晶試料を観察し、明瞭なコントラストを確認することができた。また、一定の外部磁場を与えた状態で電場を印加すると磁壁が動き、その前後では磁壁の方向が保たれていることが分かった。

観察したBaCu₂Si₂O₇の磁区。左はスピンの向きが異なる2種類の磁区、右は光学顕微鏡画像［クリックで拡大］ 出所：大阪公立大学他

電場により反強磁性磁壁が移動［クリックで拡大］ 出所：大阪公立大学他

　今回の研究成果は、大阪公立大学大学院工学研究科の木村健太准教授（兼東京大学物性研究所客員准教授）、東京大学大学院新領域創成科学研究科の諸見里真人大学院生、三宅岳志大学院生（研究当時は東京大学物性研究所）、東京大学物性研究所の益田隆嗣教授、東京大学大学院工学系研究科の木村剛教授らによるものである。