2023年11月9日 理化学研究所，日本原子能研究开发机构 东京大学科学技术振兴机构( JST )
理化学研究所(理研)创发物性科学研究中心量子纳米磁性研究小组特别研究员托马斯·里昂斯学振(研究当时)、豪尔赫普埃布拉研究员、东京大学物性研究所教授大谷义近(理研创发物性科学研究中心量子纳米磁性研究小组组长)、 日本原子能研究开发机构尖端基础研究中心的山本慧研究副主干(科学技术振兴机构( JST )先驱研究者、理研开拓研究总部柚木计算物性物理研究室客座研究员)等人的共同研究小组，证实了尽管对磁场不容易响应，但使用超声波[2]可以详细调查将磁性藏在内部的材料“反强磁性体[1]”的性质。本研究成果提供了以磁存储器的高记录密度化以及动作高速化和高频磁场的检测为可能而备受瞩目的反铁磁性材料的新物性测量方法，期待今后得到广泛应用。 通过对反铁磁性体具备适当的测量条件，微弱的超声波会引起放大反铁磁性磁化响应的现象“反铁磁性共振”。 该共振中含有丰富的关于反铁磁体特性的信息，但使用普通磁场的方法很难进行测量，除了特定的材料以外，反铁磁体的实验研究没有什么进展。 这次，共同研究小组在基板上配置了具有层状结构且显示出反铁磁性的三氯化铬的剥离片，测量了在基板表面传输的超声波(表面声波)的透过率。 结果，通过与磁场无关的超声波首次成功地观测到了反铁磁性共振，并明确了其详细性质。 本研究成果在科学杂志《Physical Review Letters》在线版( 11月8日:日本时间11月9日)作为Editors' Suggestion (编辑选拔的被认为是特别重要和有趣的成果的论文)被刊登了。
配置在超声波器件上的三氯化铬剥片
磁铁在磁带和硬盘等中作为存储元件被广泛应用，但在新一代的信息处理设备中，要求元件进一步小型化和动作的高速化。 我们通常看到的磁铁是原子尺寸的微小棒磁铁具有使n极的方向一致排列的结构的被称为强磁性体的材料(图1a )。 这种材料无论是元件的大小还是存储器的写入速度都有物理上的极限，目前的技术已经逐渐达到了该极限。 自然界中原子大小的棒磁铁以更多样的图案排列，在日常生活中有无数磁铁不被认为是磁铁。 其中，n极和s极的方向互不相同，正好抵消整体磁化[3]而对齐的磁铁称为反铁磁体(图1b )。 如果是这个排列，用磁铁制作微小单元时不会在周围产生磁场，所以可以在比强磁性体窄的区域铺设多个单元，使元件实现高记录密度化。 另外，与n极一致的情况相比，n极和s极的方向相互不同的排列很顽强，反强磁性体是比强磁性体“硬”的磁铁。 就像敲击物体发出声音时硬物发出频率更高(也就是振动更快)的声音一样，反强磁性体可以比强磁性体更快地振动磁化，从而高速写入信息。 反铁磁性体像这样具有与普通磁铁完全不同的结构和性质。 但是，虽然很多材料在半个多世纪以前就已经为人所知了，但直到最近都没有见过天日。 原因之一在于，由于整体磁化为零，尽管是磁铁，但很难使用磁场调查性质。 原子大小的棒磁铁微观上是排列的，而宏观上却隐藏着这一点。 这也是应用上的优点，是一把双刃剑，但在其物性测定中是无法避免的。 作为一个解决方案，可以考虑用不使用磁场的方法调查反铁磁体。
图1强磁性体( a )和反强磁性体( b )微观结构的示意图
在磁铁中，构成原子尺寸的棒磁铁排列着，但其图案在强磁性体和反强磁性体中不同。 虚线表示磁力线。 铁磁体的磁力线向外泄漏，具有宏观磁化并被磁场吸引，而反铁磁体的磁力线在物质内关闭，不会向外泄漏，整体磁化抵消为零，因此对磁场没有反应。 研究方法和成果 联合研究小组着眼于，使用超声波的话，原理上可以与微观棒磁铁的排列无关地调查磁性。 超声波是原子的振动以波的形式传播的现象。 由于原子的振动，附带的棒磁铁也非常弱，但是会振动。 通过将超声波照射到反强磁性体上，测量透过来的信号，可以通过该微观棒形磁铁的振动对透过信号的影响，窥视其磁性能。 可以说是反强磁体用的超声波回波。 在这次的实验中，超声波使用的是沿着固体表面传递的表面声波。 智能手机等也广泛应用的表面声波适合控制频率。 如图2所示，通过在作为压电体[4]的铌酸锂的基板上配置一组帘状电极，可以产生表面声波并将其透射波作为电信号进行检测。 在电极间放置用胶带剥离的反铁磁性材料三氯化铬的剥离片，通过测定通过该剥离片的表面声波的透过率来调查试样的磁性。
图2超声波测量装置
在透明铌酸锂基板上配置有用于检测表面声波(超声波)的产生的电极。 从中央部分的放大图所示的帘状电极的一侧产生表面声波，透过放置在电极之间的三氯化铬膜的波被另一侧的帘状电极转换为电信号进行检测。 通常，超声波引起的原子振动对原子附带的微观棒磁铁的影响太小，几乎不会出现试样磁性性质引起的透射率变化。 但是，如果改变超声波的频率，在某个特定频率下微观棒磁铁对超声波的响应会急剧放大。 这样的现象被称为共鸣。 例如，乐器的调谐也使用了共鸣带来的放大效果。 音叉只在受到某个特定频率的声波的照射时才会强烈响应，自身也会振动而发出声音。 对于音叉，该特定频率由音叉的材质和形状决定。 磁石也有各自特征的共鸣频率，其大小可以反映微观棒磁石的排列方式和包围它们的原子和电子的状态。 特别是磁共振的频率会根据外部磁场的大小和方向而变动，从该外部磁场依赖性中可以导出关于磁性质的信息。 在这次的实验中，在固定超声波频率的状态下对磁场进行调谐，决定了发生共鸣的条件。 图3显示了用彩色图表表示超声波透过率的磁场依赖性的结果。 圆形图上的各点与磁场的大小和角度相对应，表示在彩色图表变成黄色的各点，对微弱的超声波发生了放大反铁磁性磁化响应的反铁磁性共振，透过率发生了很大的变化。 这些图表遵循有一定规律的模式，通过对照理论模型可以定量计算出与三氯化铬磁性能相关的参数。 在这次的实验中，我们还调查了伴随三氯化铬膜温度上升的共振模式的变化。 6个面板表示从左上到右下使温度一点点上升时共鸣模式的变化。 发生共鸣的磁场的值用黄色表示，温度低时，呈8字形分布，但温度上升时逐渐变形，在高温侧变成四面有缝隙的圆形分布。 最高温(-259℃)的右下面板没有显示出明确的共鸣，由此结果可知在该温度下微观棒磁铁的对齐被破坏，失去了作为反强磁性磁铁的性质(图3f )。
图3超声波透过率的磁场依赖性
各面板用颜色表示在基板面内，磁场在0毫特斯拉( mT )到50mT的范围内全方位变化时的透射率。 明亮的颜色对应低的透过率，在显示黄色的磁场的大小和角度中，发生共鸣，超声波被磁铁吸收，从而表示透过率下降。 按照面板a到f的字母顺序，测定时的温度较高。 迄今为止，以三氯化铬为代表的反铁磁体的共振现象是使用振动的磁场进行测量的。 宏观上受不具有磁化的反铁磁体特征的各种制约，因此与铁磁体相比，获得的信息非常有限。 另一方面，在此次研究中使用的基于超声波的共振方法中，在反强磁性体中也可以获得与强磁性体的情况相同的测量精度和信息量。 实际上，如图3所示，得到共振模式清晰的磁场角度依赖性和温度依赖性的例子在过去非常少，与它们相比，也比较容易得到全方位的高精度角度依赖性，因此证明了利用超声波进行磁测量的有用性。 今后的期待 要通过超声波引起反铁磁性共鸣，存在着测量中使用的材料和基板的选择、电极的设计、试样向基板的固定、磁场和温度的精密控制等各种技术课题。 通过周密准备的实验克服了这些课题，首次实现了基于超声波的反铁磁性共鸣。 从那里得到的知识正如期待的那样包含了很多有用的启示。 本研究成果作为调查反铁磁体的新方法，预计今后将得到广泛应用。 包括三氯化铬在内的反铁磁体大多都是半个多世纪前就知道存在的。 但是，由于发现当时实验技术水平较低，对材料的理解没有进展，之后被遗忘了。 但是，作为磁铁却不具有磁化，磁化比通常的强磁性体振动更快等特征有可能应用于信息处理和磁场传感器，近年来其重要性被重新审视。 通过使用这次使用的表面声波等最先进技术进行实验，可以加深对反铁磁性的理解，期待加速开发更适合应用研究的材料。
<标题> acoustically driven magnon-phonon coupling in a layered antiferromagnet <作者姓名> Thomas P. Lyons、Jorge Puebla、Kei Yamamoto、Russell S. Deacon、Yunyoung Hwang、Koji Ishibashi、Sadamichi Maekawa、and yoshi chi <杂志> 物理审阅
＜DOI＞
10.1103/PhysRevLett.131.196701
本研究在理化学研究所的实验装置的开发、试样制作、测量和数据获取方面发挥了中心作用。 用于分析实验数据的理论的构建和运用由日本原子能研究开发机构主导进行。 东京大学物性研究所在实验数据的分析方面做出了很大的贡献。 理化研究所创发物性科学研究中心量子纳米磁性研究小组 学振特别研究员(研究当时)托马斯·里昂斯( Thomas Lyons ) 研究员豪尔赫.普埃布拉( Jorge Puebla ) 量子效应器件研究小组 专职研究员罗素·迪康( Russell Deacon ) 团队领导石桥幸治 强相关理论研究小组 客座主管研究员前川祯通 东京大学物性研究所 研究生尹永旺( Yunyoung Hwang ) (东京大学院新领域创成科物质系专业博士过程3年) 教授大谷义近 (理研创发物性科学研究中心量子纳米磁性研究小组组长) 日本原子能研究开发机构尖端基础研究中心 自旋-能源科学研究组 研究副主管山本慧 ( JST先驱研究者、理研开拓研究总部柚木计算物性物理研究室客座研究员)
托马斯·里昂斯
豪尔赫.普埃布拉
大谷义近
山本慧
本研究基于日本学术振兴会( JSPS )科学研究费资助事业基础研究( s )“开拓基于相干磁弹性强耦合状态的高效自旋流生成方法(研究代表者:大谷义近)”，该年轻研究“关于马格尼克晶体中自旋波非互易性的理论研究(研究代表者:山本慧) 同基础研究( b )“力学旋转与自旋的相互转换(研究代表者:前川祯通)”以及科学技术振兴机构( JST )战略性创造·研究推进事业的先驱“拓扑材料科学与创新功能创造”的研究课题“非相反表面波:可用于材料科学的阳极化(研究代表者:山本慧，山本慧) 该CREST“融合实验和理论计算数据科学的材料开发创新”的研究课题“融合纳米结构控制和计算科学的梯度材料开发和自旋器件应用(研究代表者:能崎幸雄，JPMJCR19J4 )”、 “基于量子态高级控制的创新量子技术基础的创造”的研究课题“使用纳米自旋结构的电子量子相位控制(研究代表者:永长直人，JPMJCR1874 )”、“利用信息载体的集成器件系统”的研究课题“非经典自旋集成系统(研究代表者: JCR 1874 )” JPMJCR20C1 )”和语言学习资源( lanef )的挑战“QS pin-quantum spince” 由n magnon - phonon coupled systems (研究代表:大谷义近)和理研战略合作伙伴合作事业“开发单激励声子换能器”资助进行。
联系客服
